[发明专利]用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源

说明书

本发明公开了一种用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，包括高频时钟信号源、计算机、现场可编程门阵列，以及具有多个Profile寄存器的直接信号合成器，其中高频时钟信号源的信号输出脚与直接信号合成器的信号输入脚连接，计算机与现场可编程门阵列通讯连接，现场可编程门阵列的数据输出脚与直接信号合成器的数据输入脚连接，同时现场可编程门阵列的信号输出脚与直接信号合成器的Profile选通脚连接。本发明通过高速直接信号合成器实现宽频率范围内相位、幅度、脉冲宽度可精确调整的强磁场核磁共振所需射频脉冲发生信号源，对于构建强磁场下用于凝聚态物质物性研究的脉冲核磁共振谱仪系统具有重要意义。

技术领域

本发明涉及强磁场核磁共振信号源领域，具体是一种用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源。

背景技术

现代核磁共振实验均采用脉冲方式进行。脉冲核磁共振实验首先利用具有相位调制的高功率射频脉冲激励样品中的原子核系统，使核子系统发生能级翻转；然后撤去脉冲激励，在几个微秒时间内探测原子核系统恢复到平衡态所释放出的射频能量，并利用下变频技术以及锁相技术，实现对核磁共振信号的高信噪比采集。由于原子核的旋磁比较小（其中旋磁比最大的1H原子核，数值为 42.5759MHz/T）,因此，核磁共振谱仪系统的工作频率处于射频段，一般为几百兆赫兹至1GHz范围（依赖于磁场强度以及所研究原子核），且频率精确可调。

对于脉冲核磁共振谱仪而言，射频脉冲宽度一般为几微秒到十几微秒不等，且要求脉冲间隔中不能有任何的功率输出，这就要求谱仪具有非常快速的射频开关速度（一般要求小于1微秒）。在强磁场下的凝聚态物质物性研究中，一方面由于强关联电子材料中原子核的纵向驰豫时间很短（小于1毫秒），另一方面由于磁场均匀度不高（约50 ppm/dsv），核磁共振谱线远远宽于通常意义上的基于超导磁体上的生物核磁共振。为了实现对宽谱线的有效探测，强磁场凝聚态核磁共振实验一般采用较短的射频脉冲激励（<3 us）以获得更大的频谱覆盖范围。

为了获得更好的信噪比，强磁场核磁共振技术需要在高功率射频激励后尽早实现对核磁共振信号的探测，但高Q值的探测回路中往往会残留激励过后的剩余功率（即所谓“振铃”现象）。为了排除这一干扰，脉冲核磁共振需要对不同的脉冲进行相位“编码”，通过相位循环的方式使“振铃”噪声相干相消，而本征的核磁共振信号相干相长。这一探测方式必然要求核磁共振谱仪具有快速相位调制功能。

基于上述分析，应用于强磁场下凝聚态物质物性研究的脉冲核磁共振谱仪系统必须具有频率范围、快速开关特征以及高速相位调制特性三个特点，一般单个射频信号源无法同时满足上述要求。传统的核磁共振谱仪系统为了实现上述功能往往采用2-3个射频源进行混频、滤波方式实现。首先，一个具有固定频率的信号源通过90度移相器、180度移相器来实现四个（0度、90度、180度以及360度）相位；然后，利用另一个具有大范围频率可调特性的信号源与之进行混频、滤波以实现原子核在特定磁场下所需的一定频率值的射频激励。由于混频器件的射频隔离度、交调作用明显，混频的过程中经常在某些特定的频率出现非常强烈的谐波干扰，因此基于该构造的谱仪的射频激励部分一般会增设第三个高频射频源使中频频率提高，以改善出射射频脉冲的频率纯净度，但谐波干扰依然存在，无法彻底根除。

通过多路混频产生射频激励脉冲的方式，一方面造价高（需要2-3个射频源）；另一方面效果并不理想，对于很多高精度的核磁共振实验测量干扰较大（主要是射频谐波干扰）。近些年来，逐渐有核磁共振相关商业公司采用直接信号合成（DDS）的方式来构造核磁共振谱仪系统，但是受限于商业公司所采用的DDS芯片的时钟频率（最高400 MHz），目前基于DDS研发的用于核磁共振的信号源只是用于低磁场下的教学或一般检测用的核磁共振谱仪系统中。这些谱仪系统的最高频率一般都在125 MHz之下，与高磁场下质子的核磁共振频率差别非常大（25 Tesla磁场对应频率约 1 GHz），根本无法应用于强磁场下的凝聚态核磁共振实验。