專利名稱：一種基于激光原子磁力計的nmr裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR)波譜領(lǐng)域,更具體涉及ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，還涉及ー種基于激光原子磁力計的NMR的測量方法，適用于在IOOuT InT (1uT=1(T6T，InT=I(T9T)磁場下檢測NMR信號。u
背景技術(shù)：
NMR是ー種用來獲得有關(guān)原子和原子所組成的分子結(jié)構(gòu)與動力學信息的技木。NMR對原子核起作用，而且僅對具有不為零自旋的原子核起作用，這些不為零的核自旋就像一個個具有南北極的小磁鐵一祥，具有磁矩，從而能被用于NMR研究。
當這些磁矩處于外部靜磁場中吋，由于磁矩與外靜磁場存在夾角，因為發(fā)生旋進，當用射頻磁場照射原子核，原子核吸收射頻能量，并發(fā)射出與旋進速率對應的射頻信號，該射頻信號能夠反應原子核的特征信息。原子核處于一定的環(huán)境中，這些環(huán)境與原子核發(fā)生不同程度的相互作用，反映在發(fā)射出來的射頻信號上，會導致其在以射頻振蕩的同時有衰減現(xiàn)象，通過研究該衰減行為，可以獲得原子核周圍的空間結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為信息。在NMR波譜中，改變射頻磁場的頻率，測量原子核對不同頻率射頻磁場的吸收和發(fā)射強度，可以獲得共振譜，這種NMR波譜能夠掲示材料的元素成分與含量，與相關(guān)理論結(jié)合，甚至可獲得各元素原子的結(jié)構(gòu)和運動信息。NMR發(fā)明于20世紀50年代前后，在其幾十年的發(fā)展歷史中，為獲得更高的NMR波譜分辨率，磁場強度及射頻場頻率一直在増加，從最初IOMHz量級的拉莫爾(Larmor)頻率，到目前的900MHz，甚至有廠家在研制GHz射頻場的NMR譜儀。雖然高場NMR具有高分辨率，但從實際應用來看，高場強和高RF頻率，在一些應用上受到限制。隨著磁場的提高，樣品磁導率分布的不均勻性會加劇，從而使信號增寬，尤其是包含鐵鈷鎳等鐵磁性元素的樣品，通常是無法使用NMR技術(shù)來分析的。另ー個常見問題是磁共振成像(Magnetic resonance imaging, MRI)中的磁化率偽影。當不同種類樣品或同類具有較高磁化率梯度的樣品處于磁場中時，不同磁化率的樣品成分會產(chǎn)生寄生梯度磁場。當這些寄生梯度場與用于編碼的梯度場相當吋，MRI的圖像嚴重扭曲。在醫(yī)學成像中，金屬補牙或珠寶飾物的存在可以破壞MRI ;身體內(nèi)部固體-液體和固體-空氣界面處磁化率的跳變，產(chǎn)生細微的變形。從科學研究來講，通?；瘜W樣品和生物組織的真實環(huán)境是地磁場(4(T50uT)，為盡可能獲取分子樣品和人體組織在實際環(huán)境下的結(jié)構(gòu)與動力學信息，需要用在低場(地磁場及以下)條件下進行NMR和MRI的原位研究；然而，傳統(tǒng)RF線圈探測技術(shù)因其在低場下的低靈敏度，在進行此類研究時存在一定的局限性。雖然基于超導量子干涉器件(Superconductingquantum interference device,SQUID)的磁力計，也可在低場下實現(xiàn)很高的磁場探測靈敏度，并應用于低場NMR研究，但是它與NMR譜儀一祥，要工作在超導所需的低溫環(huán)境，在應用方面依然有所局限。綜上所述，雖然NMR作為ー種強大的核自旋分析技術(shù)在各領(lǐng)域獲得了廣泛應用，但目前NMR技術(shù)所用RF (Radio Frequency)線圈在低場下的探測靈敏度較差,仍不能滿足一些應用的要求。因此，我們需要一些低場下的高靈敏度NMR儀器和技木。近年來發(fā)展出了幾種低場NMR儀器，這些技術(shù)彌補了傳統(tǒng)NMR在低場下的低靈敏度缺陷。I. M. Savukov等人在“NMR Detection with an Atomic Magnetometer^(Phys. Rev. Lett. 94, 123001 (2005))中用激光原子磁力計進行NMR檢測，該激光原子磁力計使用處于180°C的鉀(K)原子作為エ作介質(zhì)，在直流到幾百Hz的頻段上具有20fT/Hz1/2的靈敏度，以信噪比(Signal to noiseratio, SNR)為10的單次采樣測得水的NMR信號。V. V. Yashchuk等人在“HyperpolarizedXenon Nuclear Spins Detected by Optical Atomic Magnetometry，，(Phys. Rev. Lett.93，160801 (2004))中用原子磁力計測量了超極化Xe原子的T1常數(shù)。M. P. Ledbetter等人在“Optical detection of NMR J-spectra at zero magnetic field”中用激光原子磁力計測量了こ醇的C-H J耦合譜(NMR譜的ー種，可用于確定化學分子中的結(jié)構(gòu))，而且該測量在零磁場下進行。激光原子磁力計基于原子與激光相互作用發(fā)生的ー種被稱為非線性磁光旋轉(zhuǎn) (Nonlinear magneto-optical rotation,NM0R)的量子力學現(xiàn)象。由于該現(xiàn)象產(chǎn)生的NMOR信號具有極窄的線寬，且對磁場敏感，因此天然具有高靈敏度的磁場檢測能力，另外，即使在如IOOurinT量級甚至更低的極弱磁場下，該靈敏度也不會變差。上述利用激光原子磁力計檢測NMR信號的方法，還有一定的缺陷，比如激光原子磁力計的探頭是ー個工作于17(T210°C左右的原子蒸氣泡，其溫度過高，對NMR樣品有譜線加寬的影響，本發(fā)明將針對此問題，提出一種新的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，還提供一種基于激光原子磁力計的NMR的測量方法，從而解決低場下現(xiàn)存射頻線圈方法靈敏度不足的困難，并解決新出現(xiàn)的原子蒸氣泡溫度過高的問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，包括銫原子蒸氣泡，包括套設在銫原子蒸氣泡上的磁屏蔽套筒、設置在磁屏蔽套筒內(nèi)的三組亥姆霍茲線圈、用于極化銫原子蒸氣泡內(nèi)銫原子的激光極化裝置、用于向銫原子蒸氣泡發(fā)射探測激光的激光發(fā)射裝置、用于檢測穿過銫原子蒸氣泡的探測激光的NMR信號檢測裝置和用于對被測樣品進行預極化并可將預極化后的樣品放置到銫原子蒸氣泡上方的氣動進樣裝置。如上所述的激光極化裝置包括抽運激光器和用于將抽運激光器發(fā)出的激光轉(zhuǎn)換為圓偏振光后傳送到銫原子蒸氣泡的四分之一波片。如上所述的激光發(fā)射裝置包括探測激光器和用于將探測激光器發(fā)出的激光轉(zhuǎn)換成線偏振探測激光后傳送到銫原子蒸氣泡的偏振棱鏡。如上所述的NMR信號檢測裝置包括用于對穿過銫原子蒸氣泡的線偏振探測激光進行分束的偏振分束棱鏡、用于檢測分束后的線偏振探測激光并將檢測信號發(fā)送到乘法器的光電探測器、用于調(diào)整抽運激光器的輸出頻率并輸出方波同步信號到乘法器的信號發(fā)生器、用于對檢測信號及方波同步信號進行乘法運算的乘法器和用于對乘法器的輸出進行濾波并傳送到上位機的低通濾波器。如上所述的氣動進樣裝置包括氣缸、設置在氣缸內(nèi)且一端設置有與氣缸內(nèi)壁貼合的活塞的樣品管、套設在氣缸一端的環(huán)形預極化磁體和用于控制樣品管在氣缸內(nèi)往復運動的驅(qū)動裝置，所述的磁屏蔽套筒上開設有通孔，氣缸一端穿過通孔設置在銫原子蒸氣泡上方。如上所述的氣缸一端套設有導引線圈，另一端套設有小角度脈沖線圈，所述的驅(qū)動裝置包括提供氣壓源的空氣壓縮機和用于切換空氣壓縮機輸入到氣缸的氣流方向的電磁閥。如上所述的三組亥姆霍茲線圈包括三對環(huán)形的亥姆霍茲線圈，每對亥姆霍茲線圈的中心線重合,三對亥姆霍茲線圈的中心線相互垂直,其中ー對亥姆霍茲線圈的中心線與探測激光的光束方向平行。ー種基于激光原子磁力計的NMR的測量方法，包括以下步驟
步驟I、控制銫原子蒸氣泡溫度升至20-60°C，控制抽運激光器的輸出激光頻率與堿金屬銫原子Dl線躍遷F=4 -> F’=3共振，并控制探測激光器的輸出激光頻率偏離該共振頻率lOOMHflOOGHz，對抽運激光器的電流進行調(diào)制，實現(xiàn)同步光抽運；
步驟2、調(diào)整偏振棱鏡和四分之一波片的角度，獲得線偏振探測激光和圓偏振光；
步驟3、調(diào)整偏振分束棱鏡的角度，直至光電探測器輸出的信號為零；
步驟4、通過調(diào)整三組亥姆霍茲線圈的電流，使得磁屏蔽套筒內(nèi)的殘余磁場為最小，得到三組亥姆霍茲線圈的調(diào)整電流；
步驟5、掃描三組亥姆霍茲線圈中的中心線與探測激光平行的一對亥姆霍茲線圈中的電流，從設定的負電流值到ー個絕對值與設定的負電流值相等的正電流值，疊加在步驟4中所述的調(diào)整電流上，得到低通濾波器輸出的磁場鑒別信號；
步驟6、重復步驟疒步驟5直至単位磁場變化時，低通濾波器輸出電壓響應的變化值最大，設定磁場線性范圍中心的B值為偏置磁場；
步驟7、取適量液體樣品倒入樣品管，放入氣缸中；
步驟8、上位機通過繼電器控制電磁閥，進而控制空氣壓縮機吹入到氣缸中的方向，使得樣品管浮起到環(huán)形預極化磁體的內(nèi)部中心；
步驟9、保持樣品管懸浮設定時間，使其充分預極化，上位機通過繼電器控制電磁閥，進而改變空氣壓縮機吹入到氣缸中的方向，使樣品管向下穿過導引線圈，到達銫原子蒸氣泡的上方；
步驟10、控制小角度脈沖線圈中的電流，產(chǎn)生直流或交流脈沖，改變樣品磁矩方向；步驟11、樣品磁矩與偏置磁場的方向存在5 15度的小夾角，樣品磁矩在物理上受到ー個カ矩的作用而繞偏置磁場作進動，對磁場施加擾動，獲得時間域的NMR信號；
步驟12、通過時間域的NMR信號獲得頻率域的NMR譜信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果
1、在低磁場下，與現(xiàn)有的線圈探測技術(shù)相比，具有更高的探測靈敏度；
2、與現(xiàn)有低場利用SQUID探測NMR技術(shù)相比，不需要低溫制冷，節(jié)約運行成本；
3、與現(xiàn)有的基于原子磁力計的NMR探測裝置相比，具有更低的工作溫度。


圖I是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的高靈敏度激光原子磁力檢測部分的原理示意 圖3是本發(fā)明的預極化與氣動進樣部分的原理示意圖。圖中1_探測激光器；2_抽運激光器；3_偏振棱鏡；4_四分之一波片；5_磁屏蔽套筒；6_三組亥姆霍茲線圈；7_銫原子蒸氣泡；8_偏振分束棱鏡；9_光電探測器；10_乘法器；11-信號發(fā)生器；12_低通濾波器；13_上位機；14_空氣壓縮機；15_電磁閥；16_繼電器；17-樣品管；18_氣缸；19-環(huán)形預極化磁體；20-導引線圈；21_小角度脈沖線圈；a-樣品預極化與氣動進樣裝置；b_激光原子磁力計裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步詳細描述
實施例
ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，包括銫原子蒸氣泡7，包括套設在銫原子蒸氣泡7上的磁屏蔽套筒5、設置在磁屏蔽套筒5內(nèi)的三組亥姆霍茲線圈6、用于極化銫原子蒸氣泡7內(nèi)銫原子的激光極化裝置、用于向銫原子蒸氣泡7發(fā)射探測激光的激光發(fā)射裝置、用于檢測穿過銫原子蒸氣泡7的探測激光的NMR信號檢測裝置和用于對被測樣品進行預極化并可將預極化后的樣品放置到銫原子蒸氣泡7上方的氣動進樣裝置。激光極化裝置包括抽運激光器2和用于將抽運激光器2發(fā)出的激光轉(zhuǎn)換為圓偏振光后傳送到銫原子蒸氣泡7的四分之一波片4。激光發(fā)射裝置包括探測激光器I和用于將探測激光器I發(fā)出的激光轉(zhuǎn)換成線偏振探測激光后傳送到銫原子蒸氣泡7的偏振棱鏡3。NMR信號檢測裝置包括用于對穿過銫原子蒸氣泡7的線偏振探測激光進行分束的偏振分束棱鏡8、用于檢測分束后的線偏振探測激光并將檢測信號發(fā)送到乘法器10的光電探測器9、用于調(diào)整抽運激光器2的輸出頻率并輸出方波同步信號到乘法器10的信號發(fā)生器11、用于對檢測信號及方波同步信號進行乘法運算的乘法器10和用于對乘法器10的輸出進行濾波并傳送到上位機13的低通濾波器12。氣動進樣裝置包括氣缸18、設置在氣缸18內(nèi)且一端設置有與氣缸18內(nèi)壁貼合的活塞的樣品管17、套設在氣缸18 —端的環(huán)形預極化磁體19和用于控制樣品管17在氣缸18內(nèi)往復運動的驅(qū)動裝置，所述的磁屏蔽套筒5上開設有通孔，氣缸18 —端穿過通孔設置在銫原子蒸氣泡7上方。氣缸18—端套設有導引線圈20，另一端套設有小角度脈沖線圈21，所述的驅(qū)動裝置包括提供氣壓源的空氣壓縮機14和用于切換空氣壓縮機14輸入到氣缸18的氣流方向的電磁閥15。三組亥姆霍茲線圈6包括三對環(huán)形的亥姆霍茲線圈，每對亥姆霍茲線圈的中心線重合，三對亥姆霍茲線圈的中心線相互垂直，其中ー對亥姆霍茲線圈的中心線與探測激光的光束方向平行。ー種基于激光原子磁力計的NMR的測量方法，包括以下步驟
步驟I、控制銫原子蒸氣泡7溫度升至20-60°C，控制抽運激光器2的輸出激光頻率與堿金屬銫原子Dl線躍遷F=4 -> F’=3共振，并控制探測激光器I的輸出激光頻率偏離該共振頻率lOOMHflOOGHz，對抽運激光器2的電流進行調(diào)制，實現(xiàn)同步光抽運；
步驟2、調(diào)整偏振棱鏡3和四分之一波片4的角度，獲得線偏振探測激光和圓偏振光； 步驟3、調(diào)整偏振分束棱鏡8的角度，直至光電探測器9輸出的信號為零；
步驟4、通過調(diào)整三組亥姆霍茲線圈6的電流，使得磁屏蔽套筒5內(nèi)的殘余磁場為最小，得到三組亥姆霍茲線圈6的調(diào)整電流；
步驟5、掃描三組亥姆霍茲線圈中的中心線與探測激光平行的一對亥姆霍茲線圈中的電流，從設定的負電流值到ー個絕對值 與設定的負電流值相等的正電流值，疊加在步驟4中所述的調(diào)整電流上，得到低通濾波器12輸出的磁場鑒別信號；
步驟6、重復步驟步驟5直至単位磁場變化時，低通濾波器12輸出電壓響應的變化值最大，設定磁場線性范圍中心的B值為偏置磁場；
步驟7、取適量液體樣品倒入樣品管17，放入氣缸18中；
步驟8、上位機13通過繼電器16控制電磁閥15，進而控制空氣壓縮機14吹入到氣缸18中的方向，使得樣品管17浮起到環(huán)形預極化磁體19的內(nèi)部中心；
步驟9、保持樣品管17懸浮設定時間，使其充分預極化，上位機13通過繼電器16控制電磁閥15，進而改變空氣壓縮機14吹入到氣缸18中的方向，使樣品管17向下穿過導引線圈20，到達銫原子蒸氣泡7的上方；
步驟10、控制小角度脈沖線圈21中的電流，產(chǎn)生直流或交流脈沖，改變樣品磁矩方向；步驟11、樣品磁矩與偏置磁場的方向存在5 15度的小夾角，樣品磁矩在物理上受到ー個カ矩的作用而繞偏置磁場作進動，對磁場施加擾動，獲得時間域的NMR信號；
步驟12、通過時間域的NMR信號獲得頻率域的NMR譜信號。本發(fā)明是一種通過在特斯拉磁場中預極化，使用激光原子磁力計檢測，在納特斯拉磁場中獲得液體NMR譜，從而檢測NMR信號的方法和裝置。由于激光原子磁力計的靈敏度和頻率無關(guān)，通過在極低的磁場中檢測NMR，能同時增加SNR和譜的分辨率，即使對于非常不均勻的磁場，NMR譜線也足夠窄。本發(fā)明工作于超低磁場中進行檢測，通常約為IOOu疒InT，并且使用0. IT到2T的磁場進行預極化，樣品體積很小，從Icm3量級到Imm3量級。檢測裝置可設計成ー種微型激光原子磁力計，是檢測探頭可以非常靠近室溫下的樣品。激光原子磁力計使用銫原子作為探頭氣泡工作介質(zhì)，它工作于室溫附近(2(T60°C)，由于探頭和被檢測樣品在空間上有距離，因此對化學或生物樣品的影響非常小，可忽略不計。因此，樣品可與激光原子磁力計探頭靠得非常近，一般激光原子磁力計的探頭可做到Icm大小，樣品與探頭距離可到1cm，若利用微加工技術(shù)將作為探頭的原子蒸氣泡做到Imm大小，則該距離也可縮小到1_，將提高樣品磁場與激光原子磁力計探頭的耦合效果，提高NMR信號的檢測靈敏度。同時，激光原子磁力計的靈敏度與待檢測信號的頻率無關(guān)，可以在拉莫爾頻率為幾Hz到幾百Hz時將其檢測出來。與該量級拉莫爾頻率對應的磁場只在ImT水平，即使該磁場的相對均勻性(如1%。 1%)遠低于傳統(tǒng)NMR超導磁體的均勻性(10_8 10_6)，所獲取的NMR信號線寬也非常之窄，接近原子核自旋共振的本征線寬。在低場中原子核的化學位移信息將不能展現(xiàn)出來，只有與磁場無關(guān)的標量耦合(如J耦合等)信息留下來，這些信息可以提供共價鍵的特征參數(shù)。總之，本發(fā)明可實現(xiàn)ー種簡單的利用激光原子磁力計的“鍵檢測器”，在IOOuT至InT的磁場中產(chǎn)生有關(guān)異核標量耦合的精確信息。與背景內(nèi)容部分提出的已有相關(guān)方案不同，本發(fā)明使用一種新的工作介質(zhì)，利用其物理特性，將激光原子磁力計的探頭工作溫度大大降低，到室溫附近，從而消除對待檢測NMR樣品的譜線加寬效應，另外該工作溫度與人體溫度接近，可望用于活體生物應用，如人體表面或器官成像等。本發(fā)明包括了兩大部分ー個是基于激光與堿金屬銫(Cs)原子相互作用發(fā)生的非線性磁光旋轉(zhuǎn)(Nonlinear magnetic-optical rotation, NM0R)現(xiàn)象制作而成的高靈敏度的激光原子磁力計裝置部分，一個是樣品的預極化與氣動進樣裝置；下面分別對這兩個裝置進行操作步驟的說明。本發(fā)明裝置由探測激光器I和抽運激光器2、偏振棱鏡3和四分之一波片4、磁屏蔽套筒5和三組亥姆霍茲線圈6、銫原子蒸氣泡7、偏振分束棱鏡8和光電探測器9、乘法器10和信號發(fā)生器11、低通濾波器12和上位機13、空氣壓縮機14、電磁閥15和繼電器16、 樣品管17和氣缸18、環(huán)形預極化磁體(釹鐵硼永磁體)19、導引線圈20和小角度脈沖線圈21組成。抽運激光器2通過四分之一波片4之后，與銫原子蒸氣泡7中的原子作用將其極化，信號發(fā)生器11輸出正弦波信號到抽運激光器2，調(diào)制其輸出頻率；磁屏蔽套筒5以銫原子蒸氣泡7為中心將其包裹，提供InT水平的剰余磁場，三組亥姆霍茲線圈6與由干電池加電阻組成的電流源相連，產(chǎn)生磁場補償磁屏蔽的剩余磁場；探測激光器I產(chǎn)生激光通過偏振棱鏡3之后進入銫原子蒸氣泡7與之作用，穿過蒸氣泡的透射光到達偏振分束棱鏡8，被分束后照射到光電探測器9上面，經(jīng)光電效應產(chǎn)生輸出電流流入到乘法器10，與來自信號發(fā)生器11的同步信號進行乘法運算，輸出到低通濾波器12，產(chǎn)生所要的信號被上位機13記錄。樣品預極化與氣動進樣裝置與激光原子磁力計裝置保持電氣隔離，但樣品管可經(jīng)由氣動進樣裝置到達銫原子蒸氣泡7的上方，樣品預極化產(chǎn)生的磁矩拉莫爾進動信號被激光原子磁力計感應被探測到。氣動進樣裝置連接方式如下所述空氣壓縮機14輸出氣流到電磁閥15，上位機13控制繼電器16與電磁閥15連接并使其切換不同的工作狀態(tài)，從而使氣流在五位二通電磁閥內(nèi)的流向切換；從電磁閥出來的氣流經(jīng)氣管到達氣缸18，氣流推動樣品管17在氣缸內(nèi)上下運動，氣缸上方有ー個環(huán)形預極化磁體(釹鐵硼永磁體)19，樣品被其預極化后在氣流推動下向下運動達到銫原子蒸氣泡7的上方約1cm，其磁矩進動信號被探測。圖I中a為樣品預極化與氣動進樣裝置，b為激光原子磁力計裝置；a中的氣缸(圖3中的18)由兩個長約Im的有機玻璃管組成，其中外管直徑約20mm，內(nèi)管直徑約15mm，厚度很薄，忽略不計。在激光原子磁力計裝置b的磁屏蔽套筒(圖2中的5)壁上打外徑20mm的孔，使氣動進樣裝置的氣缸可以穿過該孔，底端可以與激光原子磁力計的探頭7相鄰，約10mm，這樣可以使激光原子磁力計探頭與樣品磁場充分相互作用，使得填充因子最大，也即使激光原子磁力計探測NMR信號的整體靈敏度最高。
權(quán)利要求
1.ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，包括銫原子蒸氣泡(7)，其特征在于包括套設在銫原子蒸氣泡(7)上的磁屏蔽套筒(5)、設置在磁屏蔽套筒(5)內(nèi)的三組亥姆霍茲線圈(6)、用于極化銫原子蒸氣泡(7)內(nèi)銫原子的激光極化裝置、用于向銫原子蒸氣泡(7)發(fā)射探測激光的激光發(fā)射裝置、用于檢測穿過銫原子蒸氣泡(7)的探測激光的NMR信號檢測裝置和用于對被測樣品進行預極化并可將預極化后的樣品放置到銫原子蒸氣泡(7)上方的氣動進樣裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，其特征在于所述的激光極化裝置包括抽運激光器(2)和用于將抽運激光器(2)發(fā)出的激光轉(zhuǎn)換為圓偏振光后傳送到銫原子蒸氣泡(7)的四分之一波片(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，其特征在于所述的激光發(fā)射裝置包括探測激光器(I)和用于將探測激光器(I)發(fā)出的激光轉(zhuǎn)換成線偏振探測激光后傳送到銫原子蒸氣泡(7)的偏振棱鏡(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種基于激光原子磁力計的匪R裝置，其特征在于所述的NMR信號檢測裝置包括用于對穿過銫原子蒸氣泡(7)的線偏振探測激光進行分束的偏振分束棱鏡(8)、用于檢測分束后的線偏振探測激光并將檢測信號發(fā)送到乘法器(10)的光電探測器(9)、用于調(diào)整抽運激光器(2)的輸出頻率并輸出方波同步信號到乘法器(10)的信號發(fā)生器(11)、用于對檢測信號及方波同步信號進行乘法運算的乘法器(10)和用于對乘法器(10)的輸出進行濾波并傳送到上位機(13)的低通濾波器(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，其特征在于所述的氣動進樣裝置包括氣缸(18)、設置在氣缸(18)內(nèi)且一端設置有與氣缸(18)內(nèi)壁貼合的活塞的樣品管(17)、套設在氣缸(18)—端的環(huán)形預極化磁體(19)和用于控制樣品管(17)在氣缸(18)內(nèi)往復運動的驅(qū)動裝置，所述的磁屏蔽套筒(5)上開設有通孔，氣缸(18)—端穿過通孔設置在銫原子蒸氣泡(7)上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，其特征在于所述的氣缸(18)—端套設有導引線圈(20)，另一端套設有小角度脈沖線圈(21)，所述的驅(qū)動裝置包括提供氣壓源的空氣壓縮機(14)和用于切換空氣壓縮機(14)輸入到氣缸(18)的氣流方向的電磁閥(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于激光原子磁力計的NMR裝置，其特征在于所述的三組亥姆霍茲線圈(6)包括三對環(huán)形的亥姆霍茲線圈，每對亥姆霍茲線圈的中心線重合，三對亥姆霍茲線圈的中心線相互垂直，其中ー對亥姆霍茲線圈的中心線與探測激光的光束方向平行。
8.ー種基于激光原子磁力計的NMR的測量方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I、控制銫原子蒸氣泡(7)溫度升至20-60°C，控制抽運激光器(2)的輸出激光頻率與堿金屬銫原子Dl線躍遷F=4 -> F’=3共振，并控制探測激光器(I)的輸出激光頻率偏離該共振頻率lOOMHflOOGHz，對抽運激光器(2)的電流進行調(diào)制，實現(xiàn)同步光抽運； 步驟2、調(diào)整偏振棱鏡(3)和四分之一波片(4)的角度，獲得線偏振探測激光和圓偏振光; 步驟3、調(diào)整偏振分束棱鏡(8)的角度，直至光電探測器(9)輸出的信號為零； 步驟4、通過調(diào)整三組亥姆霍茲線圈(6)的電流，使得磁屏蔽套筒(5)內(nèi)的殘余磁場為最小，得到三組亥姆霍茲線圈(6)的調(diào)整電流； 步驟5、掃描三組亥姆霍茲線圈中的中心線與探測激光平行的一對亥姆霍茲線圈中的電流，從設定的負電流值到ー個絕對值與設定的負電流值相等的正電流值，疊加在步驟4中所述的調(diào)整電流上，得到低通濾波器(12)輸出的磁場鑒別信號； 步驟6、重復步驟步驟5直至単位磁場變化時，低通濾波器(12)輸出電壓響應的變化值最大，設定磁場線性范圍中心的B值為偏置磁場； 步驟7、取適量液體樣品倒入樣品管(17)，放入氣缸(18)中； 步驟8、上位機(13)通過繼電器(16)控制電磁閥(15)，進而控制空氣壓縮機(14)吹入到氣缸(18)中的方向，使得樣品管(17)浮起到環(huán)形預極化磁體(19)的內(nèi)部中心； 步驟9、保持樣品管(17)懸浮設定時間，使其充分預極化，上位機(13)通過繼電器(16)控制電磁閥(15 )，進而改變空氣壓縮機(14 )吹入到氣缸(18 )中的方向，使樣品管(17 )向下穿過導引線圈(20)，到達銫原子蒸氣泡(7)的上方； 步驟10、控制小角度脈沖線圈(21)中的電流，產(chǎn)生直流或交流脈沖，改變樣品磁矩方向； 步驟11、樣品磁矩與偏置磁場的方向存在5 15度的小夾角，樣品磁矩在物理上受到ー個カ矩的作用而繞偏置磁場作進動，對磁場施加擾動，獲得時間域的NMR信號；步驟12、通過時間域的NMR信號獲得頻率域的NMR譜信號。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于激光原子磁力計的NMR裝置，包括銫原子蒸氣泡，包括套設在銫原子蒸氣泡上的磁屏蔽套筒、設置在磁屏蔽套筒內(nèi)的三組亥姆霍茲線圈、用于極化銫原子蒸氣泡內(nèi)銫原子的極化裝置、用于向銫原子蒸氣泡發(fā)射探測激光的激光發(fā)射裝置、用于檢測穿過銫原子蒸氣泡的探測激光的NMR信號的檢測裝置和用于對被測樣品進行預極化并可將預極化后的樣品放置到銫原子蒸氣泡上方的氣動進樣裝置。還公布了一種基于激光原子磁力計的NMR的測量方法。本發(fā)明具有更高的探測靈敏度；不需要低溫制冷，節(jié)約運行成本；具有更低的工作溫度。
文檔編號G01R33/44GK102830381SQ201210291150
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月15日
發(fā)明者周欣, 劉國賓, 孫獻平, 劉買利, 葉朝輝 申請人:中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所