超寬帶核磁共振法精密測量脈沖強(qiáng)磁場的關(guān)鍵問題

強(qiáng)磁場環(huán)境是物理、化學(xué)、生命科學(xué)等多個學(xué)科探索未知領(lǐng)域的新平臺。準(zhǔn)確標(biāo)定脈沖強(qiáng)磁場，不僅是上述科學(xué)研究的需要，也將有助于磁場精密測量技術(shù)本身的發(fā)展。本項目基于此應(yīng)用背景展開研究。 常規(guī)的脈沖核磁共振技術(shù)僅限于對恒定縱向磁場或脈沖縱向磁場某一瞬間的場強(qiáng)進(jìn)行測量，而本項目研究了一種基于超寬帶核磁共振原理（UWB-NMR）的脈沖磁場精密測量方法，即，在脈沖縱向磁場環(huán)境中，用具有一定頻帶寬度的射頻磁場持續(xù)激勵觀測樣品，從而免去常規(guī)NMR實驗中必不可少的場頻聯(lián)鎖環(huán)節(jié)，并同時獲得縱向磁場隨時間的變化規(guī)律。本項目在相關(guān)現(xiàn)象的物理機(jī)理、實驗方法設(shè)計、關(guān)鍵的信號處理技術(shù)等方面都有所創(chuàng)新。 從常規(guī)NMR理論入手，分析求解了時變縱向磁場下的Bloch方程，并推延到脈沖磁場情況；通過龍格庫塔法數(shù)值求解了時變縱向磁場與多種形式的射頻場共同激勵下的Bloch方程，得到了樣品磁化強(qiáng)度矢量沿x、y、z方向分量的時變解（非穩(wěn)態(tài)NMR響應(yīng)），從物理原理上驗證了本項目所提出的時變磁場測量方法的正確性。 在上述理論工作基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以正交雙線圈探頭和先進(jìn)信號處理技術(shù)為核心的觀測脈沖縱向磁場NMR現(xiàn)象的電子學(xué)系統(tǒng)，搭建了集寬帶射頻信號產(chǎn)生與低失真發(fā)射、非穩(wěn)態(tài)NMR信號的大動態(tài)范圍接收-采集-分析處理功能于一體的實驗平臺，并在該平臺上進(jìn)行了低場情況下的單頻、離散多頻和寬帶脈沖激勵下的NMR實驗。 由于正交雙線圈的隔離度有限，從射頻激勵線圈直接泄漏到NMR感應(yīng)線圈中的射頻激勵信號，其強(qiáng)度總是遠(yuǎn)高于期望觀測的NMR信號，為此本項目設(shè)計了盲辨識補(bǔ)償算法以提高NMR信號接收通道的無雜散失真動態(tài)范圍；為了從混合信號中分離出微弱的NMR信號，設(shè)計了一種基于三階累積量的LMS自適應(yīng)干擾抵消算法以抵消泄漏射頻信號；然后，利用減譜法或SVD法以降低NMR信號接收通道的本底噪聲，以便進(jìn)一步提高NMR信號的信號-干擾噪聲比(SINR)。在此基礎(chǔ)上，通過短時傅里葉分析最終反演出時變縱向磁場的場強(qiáng)隨時間的變化特性。

強(qiáng)磁場環(huán)境是物理、化學(xué)、生命科學(xué)等多個學(xué)科探索未知領(lǐng)域的新平臺。準(zhǔn)確標(biāo)定脈沖強(qiáng)磁場，不僅是上述科學(xué)研究的需要，也將有助于磁場精密測量技術(shù)本身的發(fā)展。常規(guī)的脈沖核磁共振技術(shù)僅限于對恒定磁場或脈沖磁場某一瞬間的強(qiáng)度進(jìn)行測量，而本項目將研究一種基于超寬帶核磁共振原理（UWB-NMR）的脈沖強(qiáng)磁場（包括恒定磁場的不穩(wěn)定性）精密觀測方法，以便精確獲得超長重復(fù)周期或單次型脈沖磁場過程的時間分布。主要研究內(nèi)容包括兩大方面：①脈沖磁場和超寬帶射頻連續(xù)信號激勵下的氫核非穩(wěn)態(tài)能級躍遷飽和問題、非穩(wěn)態(tài)核磁共振信號參數(shù)的定量分析；②脈沖強(qiáng)磁場精密測量方法面臨的三個電子學(xué)關(guān)鍵問題- - 超寬帶射頻信號的產(chǎn)生與低失真發(fā)射、脈沖強(qiáng)磁場下非穩(wěn)態(tài)核磁共振信號的大動態(tài)范圍接收和采集、寬帶射頻信號與核磁共振信號的盲分離。深入研究上述關(guān)鍵問題，可為國家重大工程項目脈沖強(qiáng)磁場實驗裝置的實驗和測量提供支持。

磁場既然是普遍存在的，通過大量的天文觀測和研究，認(rèn)識到的最強(qiáng)磁場存在于脈沖星中。脈沖星又稱中子星，是恒星演化到晚期的一類星體。根據(jù)天體演化過程，一般恒星演化到晚期時，由于原子核聚變產(chǎn)生高熱能所需的核聚變物質(zhì)已經(jīng)用盡，熱能劇減，恒星物質(zhì)的引力便使星體收縮，體積變小，而恒星磁場便因恒星收縮和磁通密度變大而增強(qiáng)。這樣，演化到晚期的恒星磁場便急劇大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁場劇增到約10^3~10^4特[斯拉](T），而演化到晚期的脈沖星(中子星）的磁場更劇增到約10^8~10^9特[斯拉]，分別比太陽磁場增加約千萬到億倍（10^7~10^8倍）和約萬億到10萬億倍（10^12~10^13倍）。例如圖5便是在地球高空觀測到的武仙星座X-1脈沖星（中子星）發(fā)射的X射線譜。進(jìn)一步研究認(rèn)識到這一發(fā)射的X射線譜是由于X-1脈沖星的電子流在磁場中的回旋運動產(chǎn)生的，而譜線的吸收峰便是電子流在磁場中的回旋共振峰。由回旋共振的位置（X射線的能量）便可計算出回旋共振的磁場的強(qiáng)度約5×10^8T。這樣強(qiáng)的磁場是科學(xué)技術(shù)在地球上遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的，科學(xué)技術(shù)在地球上所能得到的磁場的強(qiáng)度僅約10^2T，兩者相差約百萬倍（10^6倍）。

根據(jù)對各處宇宙磁場的觀測，各種星體的磁場都高于星體之間的星際空間的磁場。例如，在太陽系中各行星之間的行星際磁場約為1×10^-9~5×10^-9特[斯拉](T），即約為地球磁場的十萬分之一（10^-5）。在各個恒星之間的恒星際空間的恒星際磁場，常簡稱星際磁場，比行星際磁場更低，大約為5×10^-10~10×10^-10特[斯拉](T），即約為行星際磁場十分之一（10^-1），也就是約為地球磁場的百萬分之一（10^-6）。恒星際（空間）磁場主要是應(yīng)用恒星光的偏振觀測和恒星射電（無線電波）的塞曼效應(yīng)（即無線電波在磁場中分裂而改變頻率）觀測及維持銀河星系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理論計算等來測定或估算恒星際磁場。由現(xiàn)代多方面的天文觀測知道，由大量的恒星形成星系，例如太陽便是銀河星系中的一個恒星，而銀河星系以外的宇宙空間中還有更多更多的星系。星系與星系之間的空間稱為星系際空間，根據(jù)多方面的天文觀測的間接推算和理論估計，星系際空間的磁場約為10^-13~10^-12特[斯拉](T），即約為行星際磁場的萬分之一到千分之一（10^-3~10^-2）。恒星際磁場大約相當(dāng)于人的心（臟）磁場（約百億分之一T），而星系際磁場大約相當(dāng)于人的腦（部）磁場（約萬億分之一T），甚至低于腦（部）磁場。

從上面宇宙磁現(xiàn)象的介紹可以看出，宇宙磁現(xiàn)象是宇宙空間到處都存在的，而且許多宇宙磁現(xiàn)象還同科學(xué)研究和我們生活有著密切的關(guān)系，還有著遠(yuǎn)比我們在地球上接觸到的磁場更強(qiáng)和更弱的磁場。