[发明专利]利用光诱发的超极化的核磁共振磁力计

说明书

技术领域

下文涉及磁领域、磁力计领域、磁测量领域以及相关领域。

背景技术

磁力计是一种用于测量磁场强度的装置。磁力计具有多种多样的应用，例如应用于健康护理、工业以及实验室应用当中。一些例示性的磁力计应用包括：对磁共振（MR）扫描器、同步加速器、粒子加速器以及利用磁体的其他装置进行磁场绘制；检测地下矿石、矿物、未爆炸的地雷或海洋中的潜艇；执行地质学和考古学研究；在磁天文观测台中执行测量；监测心脏和大脑活动；测量超导体中的通量分布；检索存储在磁介质上的数据；引导磁轨道上的车辆；向导航系统提供输入；用作接近传感器；以及在生产线上对产品计数。

核磁共振（NMR）磁力计通常被认为是用于执行场测量的“黄金标准”，因为NMR是可用的最为准确的场测量方法。事实上，NMR磁力计能够实现高达0.1ppm的准确度。另外，NMR提供对绝对磁场强度的固有测量，而其他磁场测量技术通常测量相对场强并因此必需有校准过程，所述校准过程易于产生误差并且能够导致测量偏差。

NMR磁力计有利地利用核自旋的进动频率（F）与施加的外部磁场（B）之间的基本关系F=γB。参数γ是旋磁比，并且是给定核素的特性。例如，¹H氢原子核的旋磁比为42.577MHz/Telsla。在操作中，NMR磁力计通过在磁场内放置少量液体样本或其他样本来确定未知磁场的场强。所述样本包括具有已知旋磁比的原子核。因此，通过测量进动频率（F）和获知旋磁比（γ），磁场强度（B）被确定为B=F/γ。

NMR磁力计的限制是其难以测量弱磁场。当磁场越弱时，样本尺寸（以及因此NMR磁力计的测量探头的尺寸）变得更大。对样本尺寸更低的限制是根据信号强度和信噪比（SNR）要求以及实际操作考虑来设置的。对测量探头尺寸更高的限制是由要在探头的体积内获得均匀磁场的期望而强加的。

在一些NMR磁力计设计中，常规NMR磁力计的这些限制通过“预极化”测量探头样本而得到缓解。在使用样本测量磁场强度之前对所述样本进行预极化使得基本较弱的磁场能够被测量到，和/或使得能够使用基本更小的探头。使用更小的探头还使得测量对磁场不均匀性或梯度不那么敏感，使得能够在更小的空间中进行测量，并且使得能够测量更高空间分辨率的场绘图。

一些预极化方法利用奥佛好塞效应（Overhauser effect）。这样的“奥佛好塞磁力计”有利地利用一种影响氢原子的现象。高频射频（RF）功率在存在弱磁场的情况下用于激励少量次级液体的不成对电子，所述次级液体被加到包含氢原子的初级液体样本中。这种激励的电子导致在剩余液体中的氢原子核经由“奥佛好塞效应”变得被极化，参见例如Aspinall等人的“Magnetometry for Archaeologists”（Rowman&Littlefeld Publishers,Inc,2008）中的第47-48页。奥佛好塞磁力计是高效节能的并且具有适于地球场测量的灵敏度。奥佛好塞磁力计的功耗能够被优化为在连续工作、产生介于0.1nT到0.01nT之间的灵敏度并且采样率高达5Hz的情况下低至1W。

下文提供了新的经改进的设备和方法，其克服了上面提到的问题和其他问题。

发明内容

根据一个公开的方面，一种设备，包括磁力计，所述磁力计包括：样本，其包括选定核素；光源，其被配置成通过利用具有轨道角动量的光辐射照射所述样本来使所述样本的选定核素超极化；射频发生器，其被配置成在射频的探测范围上向所述样本的超极化的选定核素输入射频能量；检测器，其被配置成检测所述样本的超极化的选定核素中由所输入的射频能量激励的核磁共振的频率；以及信号输出发生器，其被配置成基于检测到的核磁共振的频率来输出指示磁场强度的信号。

根据另一公开的方面，一种方法包括：通过利用具有轨道角动量的光辐射照射样本来使所述样本的选定核素超极化；生成所述样本的超极化的选定核素的核磁共振；确定所生成的核磁共振的频率；并基于所确定的所生成的核磁共振的频率来输出指示磁场强度的信号。

一个优势在于提高了的磁力计灵敏度。

另一优势在于提供是探头尺寸减小的磁力计。

另一优势在于提高了磁力计空间分辨率。

本领域技术人员通过阅读和理解下文的详细描述，更多的优势将会显而易见。

附图说明

图1概要图示了磁力计的实施例。

图2概要图示了由图1的磁力计生成的选定信号。