本發(fā)明涉及一種基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)，屬于測量技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、核磁共振領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

核磁共振陀螺儀以磁共振氣室內(nèi)充入的堿金屬原子和稀有氣體同位素原子為原子源作為敏感介質(zhì)，原子源的性能直接決定了光學(xué)量子操控所能實(shí)現(xiàn)的性能極限。表征原子源性能的重要參數(shù)為原子的弛豫時(shí)間。延長核自旋系綜的弛豫時(shí)間可以提高核磁共振陀螺儀的精度；另一方面，電子自旋的弛豫時(shí)間越長，檢測分辨率越高，陀螺儀輸出信號(hào)的靈敏度越高。

弛豫時(shí)間分為縱向弛豫時(shí)間和橫向弛豫時(shí)間，普遍采用脈沖核磁共振技術(shù)中的脈沖序列法對(duì)其進(jìn)行測量。就精密測量而言，脈沖序列的時(shí)序控制和精準(zhǔn)輸出，對(duì)測量結(jié)果的可靠性有著重要影響。

目前常用的脈沖磁共振測量系統(tǒng)大多采用脈沖積分器、射頻發(fā)射器作為脈沖信號(hào)的輸出裝置，利用順序控制器嚴(yán)格控制脈沖時(shí)序，使用示波器作為核磁共振FID(Free Induction Decay)信號(hào)的顯示裝置，整體系統(tǒng)方案復(fù)雜，所需儀器裝置較多，不便于脈沖序列的產(chǎn)生，更不易于核磁共振FID信號(hào)的存儲(chǔ)與分析。特別地，現(xiàn)有的脈沖磁共振系統(tǒng)所需磁場較大，多為幾個(gè)特斯拉，這將導(dǎo)致核磁共振陀螺儀系統(tǒng)磁化，不利于其工作。上述弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)主要應(yīng)用于核磁共振陀螺儀上，用于測量¹²⁹Xe核子的弛豫時(shí)間，要求在射頻磁場較低的條件下，完成對(duì)于弛豫時(shí)間的測定。但目前尚未有相似的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)所需外部儀器多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、脈沖控制困難、測量效率低的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便且輸出脈沖精確、測量效率較高的用于測量¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間的系統(tǒng)。本發(fā)明提出了一種基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間的高精度測量，大大簡化了測量所需設(shè)備，不僅便于控制脈沖序列的時(shí)序，還保證了脈沖序列的精準(zhǔn)輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)核磁共振FID信號(hào)的存儲(chǔ)與分析，擁有友好的人機(jī)交互界面。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)，包括LabVIEW上位機(jī)、微機(jī)USB接口模塊和下位機(jī)采集卡；所述LabVIEW上位機(jī)用于脈沖序列的生成與顯示，以及核磁共振FID信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)與分析；所述微機(jī)USB接口模塊用于LabVIEW上位機(jī)與下位機(jī)采集卡之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，構(gòu)建上位機(jī)與下位機(jī)間的連接關(guān)系；所述下位機(jī)采集卡用于脈沖序列的輸出與核磁共振FID信號(hào)的采集。

作為優(yōu)選的，所述核磁共振FID信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)與分析功能指的是FID信號(hào)在上位機(jī)圖形界面中顯示；FID信號(hào)及各點(diǎn)的采樣時(shí)間，以二進(jìn)制文件形式存儲(chǔ)至上位機(jī)中；FID信號(hào)經(jīng)LabVIEW程序處理所得最初振幅，在LabVIEW人機(jī)交互界面上顯示。

作為優(yōu)選的，所述下位機(jī)采集卡采用NI公司PXI系列板卡。

作為優(yōu)選的，核磁共振陀螺儀的射頻磁場采用脈沖形式，以角頻率ω₀生成的脈沖序列，通過X軸、Y軸施加于¹²⁹Xe核子上。X、Y兩個(gè)方向的脈沖可分別表示為：

I_x＝KB₁cos(ω₀t),I_y＝-KB₁sin(ω₀t)

其中，K為磁場常數(shù)，表示產(chǎn)生每單位磁場所需電流大小，單位為A/nT；ω₀＝γB₀，ω₀為¹²⁹Xe核子的共振頻率，γ為¹²⁹Xe核子的旋磁比，B₀為核磁共振系統(tǒng)的穩(wěn)恒磁場；B₁為射頻磁場的幅度；t為磁場作用時(shí)間。磁場常數(shù)、射頻磁場的幅度及共振頻率是LabVIEW上位機(jī)的輸入?yún)?shù)。

作為優(yōu)選的，所述脈沖序列可按時(shí)間順序，在0≤t≤T₁時(shí)生成第一脈沖，在T₁+τ≤t≤T₁+τ+T₂時(shí)生成第二脈沖，τ為第一與第二脈沖的間隔時(shí)間。

該脈沖序列可寫為如下表達(dá)式：

I_x＝KB₁cos(ω₀t)u(t)

I_y＝-KB₁sin(ω₀t)u(t)

其中，k為第二脈沖個(gè)數(shù)，取值為0或1，當(dāng)k＝0時(shí)，不輸出第二脈沖，當(dāng)k＝1時(shí)，輸出第個(gè)二脈沖。T₁為第一脈沖持續(xù)的時(shí)間寬度，簡稱第一脈沖寬度；T₂為第二脈沖寬度?？刂泼}沖序列的參數(shù)有：第二脈沖個(gè)數(shù)k，第一脈沖寬度T₁，第二脈沖寬度T₂，第一與第二脈沖的間隔時(shí)間τ。

采用所述基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量的方法，包括下述步驟：

步驟1)權(quán)利要求1所述的LabVIEW上位機(jī)中，設(shè)置權(quán)利要求1中所述LabVIEW下位機(jī)采集卡的板卡參數(shù)；

步驟2)權(quán)利要求1所述的LabVIEW上位機(jī)中，給定射頻磁場頻率和幅度B₁、磁場常數(shù)及采樣時(shí)間；

步驟3)權(quán)利要求1所述的LabVIEW上位機(jī)中，在一個(gè)周期內(nèi)改變脈沖寬度的值，啟動(dòng)脈沖輸出，記錄不同脈沖寬度下FID信號(hào)的最初振幅并繪制“脈沖寬度—FID振幅”點(diǎn)圖，擬合該點(diǎn)圖，所得曲線FID振幅最大處為¹²⁹Xe核子的90°脈沖；

步驟4)獲得橫向弛豫時(shí)間的測量數(shù)據(jù)：在所述的LabVIEW上位機(jī)中，設(shè)置“第一脈沖寬度”設(shè)為90°脈沖的脈沖寬度、“第二脈沖個(gè)數(shù)”設(shè)為0，按下啟動(dòng)按鈕，存儲(chǔ)核磁共振FID信號(hào)；

步驟5)獲得縱向弛豫時(shí)間的測量數(shù)據(jù)：在所述的LabVIEW上位機(jī)中，設(shè)置“第一脈沖寬度”設(shè)為180°脈沖的脈沖寬度，“第二脈沖寬度”設(shè)為90°脈沖的脈沖寬度，“第二脈沖個(gè)數(shù)”設(shè)為1，輸出“180°-τ-90°”脈沖序列；改變“第一與第二脈沖的時(shí)間間隔”，記錄相應(yīng)FID信號(hào)的最初振幅；

步驟6)對(duì)步驟4)和步驟5)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到¹²⁹Xe核子的橫向弛豫時(shí)間與縱向弛豫時(shí)間。

本發(fā)明所施加射頻磁場與¹²⁹Xe核子核磁共振FID信號(hào)的關(guān)系是：

對(duì)¹²⁹Xe核磁共振陀螺儀系統(tǒng)施加射頻磁場B₁，將導(dǎo)致¹²⁹Xe核子磁矩矢量沿垂直于射頻磁場的平面以角頻率ω旋轉(zhuǎn)，不同脈沖寬度T對(duì)應(yīng)不同旋轉(zhuǎn)角θ，其中，ω＝γB₁，θ＝ωT＝γB₁T。θ＝90°時(shí)稱為90°脈沖，產(chǎn)生核磁共振FID信號(hào)振幅最強(qiáng)；θ＝180°時(shí)稱為180°脈沖，產(chǎn)生核磁共振FID信號(hào)振幅為0。

本發(fā)明針對(duì)¹²⁹Xe核子90°脈沖及180°脈沖的測定原理是：

固定射頻磁場幅度B₁不變，在一定范圍內(nèi)改變脈沖寬度T，記錄FID信號(hào)的最初振幅并繪制“脈沖寬度—FID振幅”點(diǎn)圖，F(xiàn)ID振幅最大處為¹²⁹Xe核子90°脈沖。射頻磁場幅度B₁相同時(shí)，180°脈沖寬度為90°脈沖寬度的2倍。

本發(fā)明針對(duì)¹²⁹Xe核子橫向弛豫時(shí)間T₂，采用的測量方法是：

利用90°脈沖激勵(lì)¹²⁹Xe核子，找到FID信號(hào)的半衰期T_1/2，¹²⁹Xe核子橫向弛豫時(shí)間T₂可由T_1/2計(jì)算得出：

T₂＝T_1/2/ln(2)

本發(fā)明針對(duì)¹²⁹Xe核子縱向弛豫時(shí)間T₁，采用的測量方法是：

利用“180°-τ-90°”脈沖序列，其中τ為180°脈沖與90°脈沖的間隔時(shí)間，多次改變?chǔ)樱涗浐舜殴舱馞ID信號(hào)最初振幅，繪制“脈沖間隔—FID振幅”點(diǎn)圖并擬合。由擬合結(jié)果可得縱向弛豫時(shí)間T₁。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)，以LabVIEW為軟件平臺(tái)，搭建了友好的人機(jī)交互界面，大大縮減了開發(fā)周期并節(jié)約了開發(fā)成本，具有構(gòu)成簡單、操作便捷、測量結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，有效提高了¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間的測量效率。同時(shí)本系統(tǒng)輸出的脈沖序列波形準(zhǔn)確，形式多樣，核磁共振FID信號(hào)便于實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的測量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的程序流程圖；

圖3為“脈沖寬度—FID振幅”擬合曲線；

圖4為“脈沖間隔—FID振幅”擬合曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。

如圖1所示為本發(fā)明的測量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖。一種基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)，包括LabVIEW上位機(jī)、微機(jī)USB接口模塊和下位機(jī)采集卡；所述LabVIEW上位機(jī)用于脈沖序列的生成與顯示，以及核磁共振FID信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)與分析；所述微機(jī)USB接口模塊用于LabVIEW上位機(jī)與下位機(jī)采集卡之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，構(gòu)建上位機(jī)與下位機(jī)間的連接關(guān)系；所述下位機(jī)采集卡用于脈沖序列的輸出與核磁共振FID信號(hào)的采集。

所述核磁共振FID信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)與分析功能指的是FID信號(hào)在上位機(jī)圖形界面中顯示；FID信號(hào)及各點(diǎn)的采樣時(shí)間，以二進(jìn)制文件形式存儲(chǔ)至LabVIEW上位機(jī)中；FID信號(hào)經(jīng)LabVIEW程序處理所得最初振幅，在LabVIEW人機(jī)交互界面上顯示。

所述下位機(jī)采集卡采用NI公司PXI系列板卡。

核磁共振陀螺儀的射頻磁場采用脈沖形式，以角頻率ω₀生成的脈沖序列，通過X軸、Y軸施加于¹²⁹Xe核子上。X、Y兩個(gè)方向的脈沖可分別表示為：

I_x＝KB₁cos(ω₀t),I_y＝-KB₁sin(ω₀t)

其中，K為磁場常數(shù)，表示產(chǎn)生每單位磁場所需電流大小，單位為A/nT；ω₀＝γB₀，ω₀為¹²⁹Xe核子的共振頻率，γ為¹²⁹Xe核子的旋磁比，B₀為核磁共振系統(tǒng)的穩(wěn)恒磁場；B₁為射頻磁場的幅度；t為磁場作用時(shí)間。磁場常數(shù)、射頻磁場的幅度及共振頻率是LabVIEW上位機(jī)的輸入?yún)?shù)。

所述脈沖序列可按時(shí)間順序，在0≤t≤T₁時(shí)生成第一脈沖，在T₁+τ≤t≤T₁+τ+T₂時(shí)生成第二脈沖，τ為第一與第二脈沖的間隔時(shí)間。

該脈沖序列可寫為如下表達(dá)式：

I_x＝KB₁cos(ω₀t)u(t)

I_y＝-KB₁sin(ω₀t)u(t)

其中，k為第二脈沖個(gè)數(shù)，取值為0或1，當(dāng)k＝0時(shí)，不輸出第二脈沖，當(dāng)k＝1時(shí)，輸出第個(gè)二脈沖。T₁為第一脈沖持續(xù)的時(shí)間寬度，簡稱第一脈沖寬度；T₂為第二脈沖寬度。控制脈沖序列的參數(shù)有：第二脈沖個(gè)數(shù)k，第一脈沖寬度T₁，第二脈沖寬度T₂，第一與第二脈沖的間隔時(shí)間τ。

如圖2為采用本發(fā)明所述裝置，實(shí)現(xiàn)¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量的方法流程圖，具體實(shí)施步驟如下：

步驟1)在所述的LabVIEW上位機(jī)中，設(shè)置所述下位機(jī)采集卡的板卡參數(shù)，板卡輸入物理通道為PXI-6366板卡的ai0通道，板卡輸出物理通道為PXI-6366板卡的ao0通道，最大電壓設(shè)為10V，最小電壓設(shè)為-10V，采樣率設(shè)為10000sa/s；

步驟2)在所述的LabVIEW上位機(jī)中，給定射頻磁場頻率和幅度B₁、磁場常數(shù)及采樣時(shí)間，此處頻磁場頻率為核子共振頻率116Hz左右，射頻磁場幅度B₁設(shè)為750nT，采樣時(shí)間取1分鐘；

步驟3)在所述的LabVIEW上位機(jī)中，在一個(gè)周期內(nèi)改變脈沖寬度的值，啟動(dòng)脈沖輸出，記錄不同脈沖寬度下FID信號(hào)的最初振幅并繪制“脈沖寬度—FID振幅”點(diǎn)圖，擬合該點(diǎn)圖，所得曲線FID振幅最大處為¹²⁹Xe核子的90°脈沖；以¹²⁹Xe核子90°脈沖數(shù)據(jù)處理過程為例進(jìn)行說明：

如圖3為“脈沖寬度—FID振幅”擬合曲線，曲線數(shù)據(jù)由步驟3)采集得到。B₁為射頻磁場幅度，本實(shí)施例的取值為50mV；T為脈沖寬度，是曲線橫坐標(biāo)，本實(shí)施例T的測試取值范圍是14ms～210ms；y₁為對(duì)應(yīng)FID振幅，是曲線縱坐標(biāo)。擬合結(jié)果為：

y₁＝0.2256sin(0.03143T)

則當(dāng)y₁達(dá)到最大值時(shí)，T＝49.9776ms，為測得90°脈沖的脈沖寬度。

步驟4)獲得橫向弛豫時(shí)間的測量數(shù)據(jù)：在所述的LabVIEW上位機(jī)中，設(shè)置“第一脈沖寬度”設(shè)為90°脈沖的脈沖寬度、“第二脈沖個(gè)數(shù)”設(shè)為0，按下啟動(dòng)按鈕，存儲(chǔ)核磁共振FID信號(hào)。

步驟5)獲得縱向弛豫時(shí)間的測量數(shù)據(jù)：在所述的LabVIEW上位機(jī)中，設(shè)置“第一脈沖寬度”設(shè)為180°脈沖的脈沖寬度，“第二脈沖寬度”設(shè)為90°脈沖的脈沖寬度，“第二脈沖個(gè)數(shù)”設(shè)為1，輸出“180°-τ-90°”脈沖序列；改變“第一與第二脈沖的時(shí)間間隔”，記錄相應(yīng)FID信號(hào)的最初振幅；

步驟6)對(duì)步驟4)和步驟5)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到¹²⁹Xe核子的橫向弛豫時(shí)間與縱向弛豫時(shí)間。以¹²⁹Xe核子縱向弛豫時(shí)間數(shù)據(jù)處理過程為例進(jìn)行說明：

如圖4為“脈沖間隔—FID振幅”擬合曲線，曲線數(shù)據(jù)由步驟4)采集得到。B₁為射頻磁場幅度，本實(shí)施例的取值為50mV；t為脈沖間隔，是曲線橫坐標(biāo)，本實(shí)施例t的測試取值范圍是3s～33s；y₂為對(duì)應(yīng)FID振幅，是曲線縱坐標(biāo)。擬合結(jié)果為：

則縱向弛豫時(shí)間T₁＝15.85s。

總之，本發(fā)明這種基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間測量系統(tǒng)構(gòu)成簡單，操作方便，而且輸出脈沖精確，測量效率較高，能實(shí)現(xiàn)¹²⁹Xe核子弛豫時(shí)間的高精度測量，大大簡化了所需測量設(shè)備，不僅便于控制脈沖序列的時(shí)序，還保證了脈沖序列的精準(zhǔn)輸出，并擁有友好的人機(jī)交互界面。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。