超寬帶核磁共振法精密測(cè)量脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的關(guān)鍵問題結(jié)題摘要

強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境是物理、化學(xué)、生命科學(xué)等多個(gè)學(xué)科探索未知領(lǐng)域的新平臺(tái)。準(zhǔn)確標(biāo)定脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，不僅是上述科學(xué)研究的需要，也將有助于磁場(chǎng)精密測(cè)量技術(shù)本身的發(fā)展。本項(xiàng)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(duì)恒定縱向磁場(chǎng)或脈沖縱向磁場(chǎng)某一瞬間的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量，而本項(xiàng)目研究了一種基于超寬帶核磁共振原理（UWB-NMR）的脈沖磁場(chǎng)精密測(cè)量方法，即，在脈沖縱向磁場(chǎng)環(huán)境中，用具有一定頻帶寬度的射頻磁場(chǎng)持續(xù)激勵(lì)觀測(cè)樣品，從而免去常規(guī)NMR實(shí)驗(yàn)中必不可少的場(chǎng)頻聯(lián)鎖環(huán)節(jié)，并同時(shí)獲得縱向磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。本項(xiàng)目在相關(guān)現(xiàn)象的物理機(jī)理、實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)、關(guān)鍵的信號(hào)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(shí)變縱向磁場(chǎng)下的Bloch方程，并推延到脈沖磁場(chǎng)情況；通過龍格庫塔法數(shù)值求解了時(shí)變縱向磁場(chǎng)與多種形式的射頻場(chǎng)共同激勵(lì)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(shí)變解（非穩(wěn)態(tài)NMR響應(yīng)），從物理原理上驗(yàn)證了本項(xiàng)目所提出的時(shí)變磁場(chǎng)測(cè)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(hào)處理技術(shù)為核心的觀測(cè)脈沖縱向磁場(chǎng)NMR現(xiàn)象的電子學(xué)系統(tǒng)，搭建了集寬帶射頻信號(hào)產(chǎn)生與低失真發(fā)射、非穩(wěn)態(tài)NMR信號(hào)的大動(dòng)態(tài)范圍接收-采集-分析處理功能于一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在該平臺(tái)上進(jìn)行了低場(chǎng)情況下的單頻、離散多頻和寬帶脈沖激勵(lì)下的NMR實(shí)驗(yàn)。 由于正交雙線圈的隔離度有限，從射頻激勵(lì)線圈直接泄漏到NMR感應(yīng)線圈中的射頻激勵(lì)信號(hào)，其強(qiáng)度總是遠(yuǎn)高于期望觀測(cè)的NMR信號(hào)，為此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了盲辨識(shí)補(bǔ)償算法以提高NMR信號(hào)接收通道的無雜散失真動(dòng)態(tài)范圍；為了從混合信號(hào)中分離出微弱的NMR信號(hào)，設(shè)計(jì)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(hào)；然后，利用減譜法或SVD法以降低NMR信號(hào)接收通道的本底噪聲，以便進(jìn)一步提高NMR信號(hào)的信號(hào)-干擾噪聲比(SINR)。在此基礎(chǔ)上，通過短時(shí)傅里葉分析最終反演出時(shí)變縱向磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間的變化特性。

強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境是物理、化學(xué)、生命科學(xué)等多個(gè)學(xué)科探索未知領(lǐng)域的新平臺(tái)。準(zhǔn)確標(biāo)定脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，不僅是上述科學(xué)研究的需要，也將有助于磁場(chǎng)精密測(cè)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(duì)恒定磁場(chǎng)或脈沖磁場(chǎng)某一瞬間的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，而本項(xiàng)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(chǎng)（包括恒定磁場(chǎng)的不穩(wěn)定性）精密觀測(cè)方法，以便精確獲得超長重復(fù)周期或單次型脈沖磁場(chǎng)過程的時(shí)間分布。主要研究內(nèi)容包括兩大方面：①脈沖磁場(chǎng)和超寬帶射頻連續(xù)信號(hào)激勵(lì)下的氫核非穩(wěn)態(tài)能級(jí)躍遷飽和問題、非穩(wěn)態(tài)核磁共振信號(hào)參數(shù)的定量分析；②脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)精密測(cè)量方法面臨的三個(gè)電子學(xué)關(guān)鍵問題- - 超寬帶射頻信號(hào)的產(chǎn)生與低失真發(fā)射、脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下非穩(wěn)態(tài)核磁共振信號(hào)的大動(dòng)態(tài)范圍接收和采集、寬帶射頻信號(hào)與核磁共振信號(hào)的盲分離。深入研究上述關(guān)鍵問題，可為國家重大工程項(xiàng)目脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)和測(cè)量提供支持。

磁場(chǎng)既然是普遍存在的，通過大量的天文觀測(cè)和研究，認(rèn)識(shí)到的最強(qiáng)磁場(chǎng)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(shí)，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(chǎng)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(chǎng)便急劇大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁場(chǎng)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(chǎng)更劇增到約10^8~10^9特[斯拉]，分別比太陽磁場(chǎng)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(cè)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(shí)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(chǎng)中的回旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而譜線的吸收峰便是電子流在磁場(chǎng)中的回旋共振峰。由回旋共振的位置（X射線的能量）便可計(jì)算出回旋共振的磁場(chǎng)的強(qiáng)度約5×10^8T。這樣強(qiáng)的磁場(chǎng)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(chǎng)的強(qiáng)度僅約10^2T，兩者相差約百萬倍（10^6倍）。

根據(jù)對(duì)各處宇宙磁場(chǎng)的觀測(cè)，各種星體的磁場(chǎng)都高于星體之間的星際空間的磁場(chǎng)。例如，在太陽系中各行星之間的行星際磁場(chǎng)約為1×10^-9~5×10^-9特[斯拉](T），即約為地球磁場(chǎng)的十萬分之一（10^-5）。在各個(gè)恒星之間的恒星際空間的恒星際磁場(chǎng)，常簡稱星際磁場(chǎng)，比行星際磁場(chǎng)更低，大約為5×10^-10~10×10^-10特[斯拉](T），即約為行星際磁場(chǎng)十分之一（10^-1），也就是約為地球磁場(chǎng)的百萬分之一（10^-6）。恒星際（空間）磁場(chǎng)主要是應(yīng)用恒星光的偏振觀測(cè)和恒星射電（無線電波）的塞曼效應(yīng)（即無線電波在磁場(chǎng)中分裂而改變頻率）觀測(cè)及維持銀河星系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理論計(jì)算等來測(cè)定或估算恒星際磁場(chǎng)。由現(xiàn)代多方面的天文觀測(cè)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(gè)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(cè)的間接推算和理論估計(jì)，星系際空間的磁場(chǎng)約為10^-13~10^-12特[斯拉](T），即約為行星際磁場(chǎng)的萬分之一到千分之一（10^-3~10^-2）。恒星際磁場(chǎng)大約相當(dāng)于人的心（臟）磁場(chǎng)（約百億分之一T），而星系際磁場(chǎng)大約相當(dāng)于人的腦（部）磁場(chǎng)（約萬億分之一T），甚至低于腦（部）磁場(chǎng)。

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?cè)诘厍蛏辖佑|到的磁場(chǎng)更強(qiáng)和更弱的磁場(chǎng)。