器系統(tǒng)通?？梢赃_(dá)到約4開爾文 的穩(wěn)定工作溫度。
[0037] 在一些情況下，冷卻系統(tǒng)120使用氦氣流（或栗浦氦）低溫恒溫器來維持共振器 和腔系統(tǒng)112的期望工作溫度T。。一些商用氦氣流（或栗浦氦）低溫恒溫器可以達(dá)到1. 5 開爾文的穩(wěn)定工作溫度。在這種情況下，共振器和腔系統(tǒng)112可以安裝在低溫恒溫器內(nèi)部， 并且可以經(jīng)由共振器和腔系統(tǒng)112的表面來傳遞氦氣流。在一些實(shí)現(xiàn)中，冷卻系統(tǒng)120包 括包圍共振器和腔系統(tǒng)112并且通過真空夾套來進(jìn)行熱隔離的液氦杜瓦瓶，并且閥（例如， 液氦杜瓦瓶中的機(jī)械控制的針閥）可以控制來自杜瓦瓶的氦流。該閥可以控制通向氣體加 熱器的口，以使得液氦汽化并且流向共振器和腔系統(tǒng)112。還可以從外部來控制閥和加熱器 以提供期望溫度調(diào)節(jié)。
[0038] 一些示例氦氣流低溫恒溫器可以通過降低低溫恒溫器中的氦氣的蒸氣壓來達(dá)到1 開爾文的工作溫度。這可以通過對容器內(nèi)部的小容器（稱為"1-K罐"）中的氦進(jìn)行抽吸以 降低蒸汽壓由此降低液氦的沸點(diǎn)（例如，從4. 2開爾文降至1開爾文）來實(shí)現(xiàn)。一些系統(tǒng) 例如可以使用（通常比氦-4同位素更昂貴的）氦-3同位素來進(jìn)一步進(jìn)行冷卻并且達(dá)到毫 開爾文溫度。可以將氦-3抽吸至低得多的蒸氣壓，由此使沸點(diǎn)低至200毫開爾文?？梢允?用閉環(huán)系統(tǒng)來避免泄漏并且保存氦-3材料。
[0039] 在一些情況下，冷卻系統(tǒng)120使用稀釋制冷機(jī)系統(tǒng)來維持共振器和腔系統(tǒng)112的 期望工作溫度Τε。稀釋制冷機(jī)系統(tǒng)通常使用與上述的氦氣流低溫恒溫器類似的氦-3循環(huán) 系統(tǒng)。稀釋制冷系統(tǒng)可以在氦-3進(jìn)入1-Κ罐之前對氦-3進(jìn)行預(yù)冷卻，以提供低至2毫開 爾文的工作溫度。
[0040] 圖1Α所示的磁共振系統(tǒng)100可以使樣本110中的自旋系綜極化。例如，磁共振系 統(tǒng)100可以將自旋系綜冷卻或映射至熱平衡狀態(tài)或者至其它狀態(tài)（即，可以比熱平衡狀態(tài) 更極化或更不極化的不同于熱平衡狀態(tài)的狀態(tài)）。在一些情況下，基于腔的冷卻技術(shù)在至少 部分地由共振器和腔系統(tǒng)112的溫度（Τε)所確定的程度上使自旋系綜極化。
[0041] 在所示的示例中，樣本110中的自旋108獨(dú)立地與主磁系統(tǒng)102以及共振器和腔 系統(tǒng)112相互作用。主磁系統(tǒng)102使自旋狀態(tài)量子化并且設(shè)置自旋系綜的拉莫頻率（Larmor frequency)。例如可以通過共振器所生成的射頻磁場來實(shí)現(xiàn)自旋磁化的旋轉(zhuǎn)。盡管自旋弱 耦合至環(huán)境，但腔良好地耦合至環(huán)境（例如，冷卻系統(tǒng)120)，以使得腔達(dá)到熱平衡所用的時(shí) 間比自旋達(dá)到熱平衡所用的時(shí)間要短得多。共振器可以驅(qū)動自旋系綜中的拉比振蕩（Rabi oscillation)以使得拉比振蕩親合至腔，并且自旋系統(tǒng)的狄克態(tài)（Dickestate)和其它角 動量子空間與腔達(dá)到熱平衡。
[0042] 可以以腔共振和自旋共振的形式來說明共振器和腔系統(tǒng)112。自旋共振相對于腔 共振偏移了拉比頻率。拉比頻率（即，拉比振蕩的頻率）可以是以自旋共振頻率所施加的 驅(qū)動場的功率的函數(shù)。拉比頻率可以被配置為將自旋耦合至腔模式。例如，可以設(shè)置驅(qū)動 場的功率，以使得拉比頻率大致等于腔共振和自旋共振之間的差。在一些情況下，可以將系 統(tǒng)建模為經(jīng)由塔維斯-卡明斯（Tavis-Cummings)的哈密爾頓量（Hamiltonian)而親合至 腔模式的自旋系綜的狄克態(tài)和角動量子空間（即，狄克態(tài)和角動量子空間）的集合。
[0043] 具有低模體積和高品質(zhì)因數(shù)的腔可以針對自旋系綜產(chǎn)生強(qiáng)自旋-腔耦合。在一些 示例中，狄克態(tài)和腔之間的光子交換速率與
（自旋系綜中自旋數(shù)量）和g(針對單個(gè)自 旋的自旋-腔耦合強(qiáng)度）成比例。在一些示例中，自旋-腔耦合強(qiáng)度與模體積的平方根成 反比并且與導(dǎo)納（即，腔的品質(zhì)因數(shù)）的平方根成正比。
[0044] 在一些實(shí)現(xiàn)中，對腔進(jìn)行有效且快速的冷卻，并且腔的熱容量與自旋的熱容量相 比較大。在一些示例中，自旋-腔相互作用所產(chǎn)生的極化速率可以顯著快于熱?\弛豫過 程。在一些情況下，自旋-腔相互作用所產(chǎn)生的極化速率快于包括自發(fā)輻射、受激輻射或熱 !\弛豫等的影響自旋系綜的任何內(nèi)部弛豫過程。例如，作為低模體積和高品質(zhì)因數(shù)的腔、 有效的腔冷卻、有效的自旋-腔耦合、角動量子空間的混合、或它們的組合以及其它特征的 結(jié)果，自旋系綜可以朝基態(tài)快速冷卻。例如可以通過重復(fù)腔冷卻處理并且使用諸如偶極耦 合（Dipolarcoupling)、自然^弛豫和外部梯度場等的相互作用來實(shí)現(xiàn)角動量子空間的混 合。在一些方面，這可以提供?\弛豫過程的有效的"短路"。例如，在一些示例中可以使用 圖1C所示的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更快的自旋極化。在一些情況下，作為（與更高的樣本溫度相比） 更低的腔溫度的結(jié)果，自旋系綜還達(dá)到了超過熱平衡極化的極化。因此，在一些情況下，腔 可以以比熱?\弛豫過程更快的速率來提高極化，并且腔可以產(chǎn)生比熱Ti弛豫過程所產(chǎn)生的 極化更高程度的極化。
[0045] 圖1C是示出用于提高自旋系綜的極化的示例處理195的流程圖。該示例處理195 例如可以在圖1A所示的示例磁共振系統(tǒng)100中或者在其它類型的系統(tǒng)中進(jìn)行。圖1C所示 的示例處理195可以包括附加的或不同的操作。在一些情況下，可以將個(gè)別操作分割成多 個(gè)子操作，或者將兩個(gè)以上操作合并或作為單個(gè)操作來同時(shí)進(jìn)行。此外，例如可以對操作中 的一些或全部進(jìn)行迭代或重復(fù)，直至實(shí)現(xiàn)期望的狀態(tài)或極化為止，或者直至達(dá)到終止條件 為止。
[0046] 如圖1C所示，在196中，將自旋系綜的角動量子空間映射至低能態(tài)。例如，可以將 一個(gè)或多個(gè)角動量子空間冷卻至它們各自的最低態(tài)。在一些情況下，腔和自旋系綜之間的 相干相互作用可以驅(qū)動各個(gè)角動量子空間至其最低能態(tài)。例如可以通過向自旋系綜施加驅(qū) 動場來生成映射。在197中，將角動量子空間相連接?？梢允褂靡粋€(gè)或多個(gè)不同的技術(shù)來 連接角動量子空間。在一些示例中，利用對整個(gè)空間的不同子空間進(jìn)行混合的處理來連接 角動量子空間。例如，可以使用自旋之間的偶極相互作用、橫向（T2)弛豫、外部梯度場、類似 的外部或內(nèi)部失相相互作用或者上述中的一個(gè)或多個(gè)的組合來連接角動量子空間。在198 中，獲得更高度極化的狀態(tài)。也就是說，自旋系綜的狀態(tài)可以比（在196中）將自旋系綜的 角動量子空間分別冷卻至其最低態(tài)并且（在197中）進(jìn)行連接之前更高度極化。例如可以 對操作（196和197)進(jìn)行一次或多次迭代，直到達(dá)到期望極化或其它條件為止。
[0047] 在一些實(shí)現(xiàn)中，（196之前的）自旋系綜的初始狀態(tài)比自旋系綜的熱平衡狀態(tài)具有 更少的極化。例如，自旋系綜的初始狀態(tài)可以是具有很少極化或沒有極化的高度混合態(tài)。各 次迭代所產(chǎn)生的狀態(tài)的極化可以高于初始狀態(tài)的極化。在一些示例中，極化在各次迭代之 后有所提高。例如，可以重復(fù)操作（196和197)，直到自旋系綜達(dá)到熱平衡極化或其它指定 極化水平（例如，要施加至自旋系綜的磁共振序列所用的輸入極化）為止。
[0048] 在一些實(shí)現(xiàn)中，可以根據(jù)需要來使用處理195以使自旋系綜極化。例如，在樣本位 于磁共振系統(tǒng)中的情況下處理195可以在任何時(shí)間開始。在一些情況下，在成像掃描之間 或在信號獲取之間對自旋系綜進(jìn)行極化。通常，在處理195開始時(shí)，自旋系綜可以處于任意 狀態(tài)（例如，任何完全混合或部分混合態(tài)）。在一些情況下，通過將拉比場（Rabifield)施 加指定量的時(shí)間來例如在脈沖序列、波譜或成像處理、或者其它處理中的指定時(shí)刻根據(jù)需 要開始處理195。
[0049] 在圖1A所示的示例中，自旋系綜可以是具有非零自旋的與所施加的磁共振系統(tǒng) 100的場發(fā)生磁性相互作用的粒子的任意集合。例如，自旋系綜可以包括核自旋、電子自旋 或者核自旋和電子自旋的組合。核自旋的示例包括氫核（?)和碳-13核（ 13C)等。在一些 示例中，自旋系綜是相同的自旋-1/2粒子的集合。
[0050] 示例主磁系統(tǒng)102生成圖1A中所標(biāo)記的靜態(tài)均勻磁場，并且在此被稱為B。場104。 圖1A所示的示例主磁系統(tǒng)102可以作為超導(dǎo)螺線管、電磁體、永磁體或其它類型的生成靜 磁場的磁體來實(shí)現(xiàn)。在圖1A中，示例B。場104在整個(gè)樣本110體中是均勻的并且沿著軸 對稱參照系106的z方向（在此還被稱為"軸方向"）進(jìn)行取向。
[0051] 在一些實(shí)例中，梯度系統(tǒng)140生成一個(gè)或多個(gè)梯度場。這些梯度場是在整個(gè)樣本 體中發(fā)生空間變化的磁場。在一些情況下，梯度系統(tǒng)140包括可以生成沿樣本110的不同 空間維度發(fā)生變化的梯度場的多個(gè)獨(dú)立梯度線圈。例如，梯度系統(tǒng)140可以生成沿z軸、y 軸、X軸或其它軸發(fā)生線性變化的梯度場。在一些情況下，梯度系統(tǒng)140在時(shí)間上改變梯度 場。例如，控制系統(tǒng)118可以根據(jù)成像算法或脈沖程序來控制梯度系統(tǒng)140產(chǎn)生隨時(shí)間和 空間而變化的梯度場。
[0052] 在圖1A所示的示例系統(tǒng)中，自旋108和主磁系統(tǒng)102之間的相互作用包括塞曼哈 密爾頓量（ZeemanHamiltonian)H=-y·Β，其中μ表示自旋的磁矩并且B表示磁場。對 于自旋-1/2粒子，存在兩種狀態(tài)：自旋與Β。場104對準(zhǔn)的狀態(tài)和自旋與Β。場104反向?qū)?準(zhǔn)的狀態(tài)。在Β。場104的取向是沿ζ軸的情況下，可以將塞曼哈密爾頓量寫為Η= -μΖΒ。。 在量子力學(xué)上，μζ=γσζ，其中γ是自旋旋磁比，并且σζ是具有角動量本征態(tài)|m>JP 特征值m±1/2反（其中&是普朗克（Planck)常數(shù)）的ζ方向自旋角動量算子。因子ωs=γB。是自旋共振頻率，也被稱為拉莫頻率。
[0053]在圖1A所示的示例中，與B。場104對準(zhǔn)或反向?qū)?zhǔn)的系綜的個(gè)體成員的熱分布 由麥克斯韋-玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)（Maxwell-Boltzmannstatistics)所支配，并且針對熱平衡狀 態(tài)的密度矩陣由下式給出：
[0055]其中，分母Z是配分函數(shù)，并且Η是自旋系綜的哈密爾頓量。配分函數(shù)可以表示為z=SeH/kT，其中求和遍及所有可能的自旋系綜配置。常數(shù)k是玻耳茲曼因子并且Τ是周 圍溫度。如此，根據(jù)以上等式，可以通過樣本環(huán)境（包括磁場強(qiáng)度和樣本溫度）來至少部分 地確定自旋系綜的熱平衡狀態(tài)（以及相關(guān)聯(lián)的熱平衡極化）。例如可以根據(jù)表示自旋系綜 的狀態(tài)的密度矩陣來計(jì)算自旋系綜的極化。在一些示例中，可以按照如下方式將z方向上 的自旋極化作為z方向上的磁化的期望值仏來計(jì)算：
[0057]
是總自旋系綜的z-角動量并且Ns是系綜自旋大小。
[0058] 在自旋系綜與其環(huán)境發(fā)生了熱化之后，使得從熱平衡偏離的任何激勵(lì)自然將花費(fèi) 時(shí)間（以熱弛豫速率!\為特征）來熱化。熱弛豫過程使自旋系綜以與1/1\成比例的指數(shù) 速率從非熱態(tài)向熱平衡狀態(tài)演變。許多磁共振應(yīng)用操縱自旋并且獲取自旋所生成的感應(yīng)信 號。通常使用信號平均來提高信噪比（SNR)。然而，熱弛豫過程花費(fèi)時(shí)間，并且熱弛豫過程 所產(chǎn)生的極化受到樣本環(huán)境（包括樣本的熱溫度和主磁場強(qiáng)度）的限制。在圖1A所示的 示例中，可以（例如，在圖1C所示的示例處理195中，或以其它方式）使用共振器和腔系統(tǒng) 112來將自旋系綜映射至比熱平衡狀態(tài)更極化的狀態(tài)，并且在一些情況下，共振器和腔系統(tǒng) 112比熱弛豫過程更快地提高自旋系綜的極化。
[0059] 在一些示例中，共振器和腔系統(tǒng)112可以包括控制自旋系綜的共振器組件以及對 自旋系綜進(jìn)行冷卻的腔組件。共振器和腔可以作為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，或者可以使用集成 型共振器/腔系統(tǒng)。在一些實(shí)現(xiàn)中，將共振器調(diào)諧至樣本110中的自旋108中的一個(gè)或多 個(gè)的共振頻率。例如，共振器可以是射頻共振器、微波共振器或其它類型的共振器。
[0060] 共振器和腔系統(tǒng)112是多模共振系統(tǒng)的示例。在一些示例中，多模共振系統(tǒng)具有 一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動頻率、一個(gè)或多個(gè)腔模式和其它可能的共振頻率或模式?？梢詫Ⅱ?qū)動頻率 調(diào)諧至由B。場104的強(qiáng)度和自旋108的磁旋比所確定的自旋的共振頻率；腔模式可以相對 于驅(qū)動頻率發(fā)生偏移。在一些多模共振系統(tǒng)中，驅(qū)動頻率和腔模式由單個(gè)集成型結(jié)構(gòu)來提 供。集成型多模共振結(jié)構(gòu)的示例包括雙環(huán)共振器、鳥籠型共振器和其它類型的結(jié)構(gòu)。在一 些多模共振系統(tǒng)中，驅(qū)動頻率和