【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及強(qiáng)電流測(cè)量以及強(qiáng)磁測(cè)量，具體涉及一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)及其方法。
技術(shù)介紹
1、隨著量子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，基于超極化原子核磁共振的超高精度原子磁強(qiáng)計(jì)被提出并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，它的磁場(chǎng)測(cè)量精度超過(guò)傳統(tǒng)的磁場(chǎng)傳感器，成為世界上精度最高的磁場(chǎng)測(cè)量傳感器，可以用于超特高壓、水輪機(jī)中強(qiáng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)測(cè)量，構(gòu)建一種量子大電流傳感器。由于原子磁強(qiáng)計(jì)的超高精度特性，可以被應(yīng)用于磁場(chǎng)測(cè)量和校準(zhǔn)，并且較傳統(tǒng)的磁場(chǎng)傳感器來(lái)說(shuō)存在諸多優(yōu)勢(shì)。由于超極化核磁共振原理中，磁強(qiáng)計(jì)在工作時(shí)需要施加橫向射頻磁場(chǎng)來(lái)偏轉(zhuǎn)原子核自旋極化方向并采集核自旋自由感應(yīng)衰減信號(hào)來(lái)獲取待測(cè)磁場(chǎng)大小，為此，需要開(kāi)發(fā)一種用于磁場(chǎng)測(cè)量中原子核自旋指向精密操控和弛豫信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，使得在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)可以自動(dòng)化周期性施加橫向射頻磁場(chǎng)信號(hào)和采集自由感應(yīng)衰減信號(hào)，大幅減少測(cè)量時(shí)間和提高測(cè)量精度。
2、但是傳統(tǒng)的核磁共振技術(shù)由于射頻脈沖寬度、脈沖時(shí)間等的局限性導(dǎo)致核自旋指向無(wú)法360度控制，各個(gè)器件之間的脈沖控制沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)導(dǎo)致核自旋指向無(wú)法精準(zhǔn)控制，各個(gè)功能組件沒(méi)有實(shí)現(xiàn)模塊化，存在收發(fā)信號(hào)未實(shí)現(xiàn)集成一體化等問(wèn)題。例如中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)cn116359806a公開(kāi)的核進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)的檢測(cè)方法及核磁共振陀螺儀，雖然實(shí)現(xiàn)了進(jìn)動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)，但是其核自旋指向無(wú)法360度控制，且仍然存在上述提及的諸多問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于現(xiàn)有技術(shù)核磁共振系統(tǒng)存在核自旋指向無(wú)法360度范圍的精準(zhǔn)控制，且收
2、本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問(wèn)題的：一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，包括射頻產(chǎn)生器、射頻放大器、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、核磁共振線(xiàn)圈、信號(hào)處理模塊、daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)以及時(shí)間基準(zhǔn)模塊，所述時(shí)間基準(zhǔn)模塊分別與daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理模塊以及射頻產(chǎn)生器連接，射頻產(chǎn)生器與射頻放大器連接，射頻放大器、核磁共振線(xiàn)圈以及信號(hào)處理模塊均與單刀雙擲開(kāi)關(guān)連接，上位機(jī)與daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)采集端口與信號(hào)處理模塊連接，daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別輸出ttl控制信號(hào)給信號(hào)處理模塊、單刀雙擲開(kāi)關(guān)以及射頻放大器，daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出時(shí)鐘同步信號(hào)給時(shí)間基準(zhǔn)模塊。
3、進(jìn)一步地，所述時(shí)間基準(zhǔn)模塊包括信號(hào)發(fā)生器以及銣鐘，所述信號(hào)發(fā)生器接收daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的時(shí)鐘同步信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器與銣鐘連接，銣鐘與射頻產(chǎn)生器連接。
4、更進(jìn)一步地，所述信號(hào)處理模塊包括順序連接的單刀單擲開(kāi)關(guān)、帶通濾波器、放大器、混頻器以及前置放大器，所述單刀單擲開(kāi)關(guān)還與單刀雙擲開(kāi)關(guān)連接且接收daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的一路ttl控制信號(hào)，所述前置放大器與daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)采集端口連接。
5、更進(jìn)一步地，所述信號(hào)發(fā)生器與混頻器連接，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)作為混頻器的本振信號(hào)輸入。
6、本專(zhuān)利技術(shù)還提供一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)的方法，包括：
7、首先打開(kāi)單刀雙擲開(kāi)關(guān)使射頻放大器與核磁共振線(xiàn)圈相連，射頻產(chǎn)生器向射頻放大器發(fā)送一個(gè)可調(diào)頻率的射頻波進(jìn)行放大，射頻放大器的輸出通過(guò)daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制打開(kāi)和關(guān)閉，通過(guò)上位機(jī)控制射頻放大器輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間，以產(chǎn)生一個(gè)可變長(zhǎng)度的脈沖，通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)將脈沖信號(hào)加載到核磁共振線(xiàn)圈上，以使核磁共振線(xiàn)圈在垂直于氦3原子自旋方向上產(chǎn)生橫向脈沖磁場(chǎng)，激勵(lì)氦3原子自旋產(chǎn)生橫向進(jìn)動(dòng)，當(dāng)脈沖信號(hào)頻率和氦3核自旋進(jìn)動(dòng)頻率相等時(shí)，氦3原子吸收脈沖能量，其自旋方向會(huì)向脈沖磁場(chǎng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度通過(guò)脈沖時(shí)間控制。當(dāng)脈沖信號(hào)加載結(jié)束后，單刀雙擲開(kāi)關(guān)連通核磁共振線(xiàn)圈和信號(hào)處理模塊回路，氦3核自旋會(huì)弛豫回待測(cè)磁場(chǎng)方向，此過(guò)程中，核磁共振線(xiàn)圈感應(yīng)到磁通量發(fā)生變化，即在核磁共振線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生自由衰減震蕩信號(hào)，通過(guò)帶通濾波器、放大器、混頻器以及前置放大器，進(jìn)行自由感應(yīng)衰減信號(hào)的提取、放大、去噪過(guò)程，獲取與待測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度信息相關(guān)的fid信號(hào)，同時(shí)通過(guò)上位機(jī)將處理過(guò)后的fid信號(hào)記錄保存下來(lái)，為提高信號(hào)信噪比，重復(fù)上面的過(guò)程，去除額外的環(huán)境干擾；對(duì)于每一次循環(huán)，發(fā)射的脈沖時(shí)間和整個(gè)循環(huán)的時(shí)間均由上位機(jī)程序控制，并且使用時(shí)間基準(zhǔn)模塊提供的外部同步時(shí)鐘作為基準(zhǔn)，該測(cè)試方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，不需要通過(guò)光信號(hào)獲得磁場(chǎng)信息，進(jìn)一步減少了激光器的使用，并且將信號(hào)處理模塊和信號(hào)加載模塊集成到一塊板卡上，便于后續(xù)集成和控制信號(hào)之間的同步，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。
8、進(jìn)一步地，所述信號(hào)處理模塊包括順序連接的單刀單擲開(kāi)關(guān)、帶通濾波器、放大器、混頻器以及前置放大器，單刀單擲開(kāi)關(guān)在射頻產(chǎn)生器發(fā)射脈沖信號(hào)期間處于關(guān)閉狀態(tài)，脈沖信號(hào)加載完畢，便關(guān)閉單刀雙擲開(kāi)關(guān)，連通核磁共振線(xiàn)圈探頭到單刀單擲開(kāi)關(guān)上，同時(shí)打開(kāi)單刀單擲開(kāi)關(guān)，連通核磁共振線(xiàn)圈和信號(hào)處理模塊之間的通道，通過(guò)帶通濾波器、放大器、混頻器以及前置放大器進(jìn)行自由感應(yīng)衰減信號(hào)的提取、放大、去噪過(guò)程。
9、進(jìn)一步地，所述脈沖信號(hào)加載以及自由感應(yīng)衰減信號(hào)的提取過(guò)程中，原子核的磁矩為其中，γ是旋轉(zhuǎn)磁比，是角動(dòng)量；
10、磁矩的運(yùn)動(dòng)方程為其中，為磁場(chǎng)；
11、定義靜止框架s和一個(gè)新旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系框架s'，框架s的坐標(biāo)軸為x、y、z，框架s'的坐標(biāo)軸為x'，y'，z'，其中z'軸與z軸重合，x'y'平面繞z軸旋轉(zhuǎn)，其角速度為得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系框架中的運(yùn)動(dòng)方程將靜止框架中的磁場(chǎng)定義為沿z：在磁場(chǎng)存在的情況下，在靜止框架中以拉莫爾頻率進(jìn)行進(jìn)動(dòng)。
12、更進(jìn)一步地，所述脈沖信號(hào)加載以及自由感應(yīng)衰減信號(hào)的提取過(guò)程中，除了待測(cè)磁場(chǎng)之外，施加另一個(gè)射頻場(chǎng)方向定義為垂直于并在靜止坐標(biāo)系框架中以角速度ω旋轉(zhuǎn)，則然后，在與ω一起旋轉(zhuǎn)的s'中，方向沿著不變，則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的有效場(chǎng)為：
13、
14、其中，分別表示靜止框架下x軸、y軸的單位向量以及新旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系框架下z軸、x軸的單位向量，項(xiàng)由旋轉(zhuǎn)b0到s'產(chǎn)生；
15、將ω1＝-γb1定義為與b1相關(guān)的拉莫爾頻率，其中b1總是正的，有效場(chǎng)的大小為：
16、
17、其中，ω0定義為ω0＝γb0；發(fā)現(xiàn)ωeff＝γbeff表示旋轉(zhuǎn)框架中與beff相關(guān)的拉莫爾場(chǎng)，靜止框架中磁矩的進(jìn)動(dòng)是和靜止與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角速度ω的組合。
18、更進(jìn)一步地，有效場(chǎng)和之間的夾角θ用以下方法計(jì)算出來(lái)：
19、
20、當(dāng)這個(gè)角度是靜態(tài)的，在靜止框架中磁矩和b0之間的夾角α隨時(shí)間的變化為
21、cos(α)＝cos2(θ)+sin2(θ)cos(ωefft)。
22、更進(jìn)一步地，通過(guò)打開(kāi)頻率ω0的射頻場(chǎng)b1一段時(shí)間t，能夠?qū)⒋啪貜膠軸旋轉(zhuǎn)到某個(gè)角度α，此時(shí)磁矩圍繞z軸旋轉(zhuǎn)，角度α為磁矩和b0之間的夾角，屬于核自旋指向角度，故通過(guò)上位機(jī)精準(zhǔn)控制射頻脈沖工作時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)核自旋指向角度的精準(zhǔn)控制。
23、本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：
24、(1)本發(fā)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，其特征在于，包括射頻產(chǎn)生器、射頻放大器、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、核磁共振線(xiàn)圈、信號(hào)處理模塊、DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)以及時(shí)間基準(zhǔn)模塊，所述時(shí)間基準(zhǔn)模塊分別與DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理模塊以及射頻產(chǎn)生器連接，射頻產(chǎn)生器與射頻放大器連接，射頻放大器、核磁共振線(xiàn)圈以及信號(hào)處理模塊均與單刀雙擲開(kāi)關(guān)連接，上位機(jī)與DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)采集端口與信號(hào)處理模塊連接，DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別輸出TTL控制信號(hào)給信號(hào)處理模塊、單刀雙擲開(kāi)關(guān)以及射頻放大器，DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出時(shí)鐘同步信號(hào)給時(shí)間基準(zhǔn)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，其特征在于，所述時(shí)間基準(zhǔn)模塊包括信號(hào)發(fā)生器以及銣鐘，所述信號(hào)發(fā)生器接收DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的時(shí)鐘同步信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器與銣鐘連接，銣鐘與射頻產(chǎn)生器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊包括順序連接的單刀單擲開(kāi)關(guān)、帶通濾波器、放大器、混頻器以及前置放大器，所述單刀單擲開(kāi)關(guān)還與單刀
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)生器與混頻器連接，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)作為混頻器的本振信號(hào)輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)的方法，其特征在于，包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊包括順序連接的單刀單擲開(kāi)關(guān)、帶通濾波器、放大器、混頻器以及前置放大器，單刀單擲開(kāi)關(guān)在射頻產(chǎn)生器發(fā)射脈沖信號(hào)期間處于關(guān)閉狀態(tài)，脈沖信號(hào)加載完畢，便關(guān)閉單刀雙擲開(kāi)關(guān)，連通核磁共振線(xiàn)圈探頭到單刀單擲開(kāi)關(guān)上，同時(shí)打開(kāi)單刀單擲開(kāi)關(guān)，連通核磁共振線(xiàn)圈和信號(hào)處理模塊之間的通道，通過(guò)帶通濾波器、放大器、混頻器以及前置放大器進(jìn)行自由感應(yīng)衰減信號(hào)的提取、放大、去噪過(guò)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述脈沖信號(hào)加載以及自由感應(yīng)衰減信號(hào)的提取過(guò)程中，原子核的磁矩為其中，γ是旋轉(zhuǎn)磁比，是角動(dòng)量；
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述脈沖信號(hào)加載以及自由感應(yīng)衰減信號(hào)的提取過(guò)程中，除了待測(cè)磁場(chǎng)之外，施加另一個(gè)射頻場(chǎng)方向定義為垂直于并在靜止坐標(biāo)系框架中以角速度ω旋轉(zhuǎn)，則然后，在與ω一起旋轉(zhuǎn)的S'中，方向沿著不變，則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的有效場(chǎng)為：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)的方法，其特征在于，有效場(chǎng)和之間的夾角θ用以下方法計(jì)算出來(lái)：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)的方法，其特征在于，通過(guò)打開(kāi)頻率ω0的射頻場(chǎng)B1一段時(shí)間t，能夠?qū)⒋啪貜膠軸旋轉(zhuǎn)到某個(gè)角度α，此時(shí)磁矩圍繞z軸旋轉(zhuǎn)，角度α為磁矩和B0之間的夾角，屬于核自旋指向角度，故通過(guò)上位機(jī)精準(zhǔn)控制射頻脈沖工作時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)核自旋指向角度的精準(zhǔn)控制。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，其特征在于，包括射頻產(chǎn)生器、射頻放大器、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、核磁共振線(xiàn)圈、信號(hào)處理模塊、daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)以及時(shí)間基準(zhǔn)模塊，所述時(shí)間基準(zhǔn)模塊分別與daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理模塊以及射頻產(chǎn)生器連接，射頻產(chǎn)生器與射頻放大器連接，射頻放大器、核磁共振線(xiàn)圈以及信號(hào)處理模塊均與單刀雙擲開(kāi)關(guān)連接，上位機(jī)與daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)采集端口與信號(hào)處理模塊連接，daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別輸出ttl控制信號(hào)給信號(hào)處理模塊、單刀雙擲開(kāi)關(guān)以及射頻放大器，daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出時(shí)鐘同步信號(hào)給時(shí)間基準(zhǔn)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，其特征在于，所述時(shí)間基準(zhǔn)模塊包括信號(hào)發(fā)生器以及銣鐘，所述信號(hào)發(fā)生器接收daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的時(shí)鐘同步信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器與銣鐘連接，銣鐘與射頻產(chǎn)生器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊包括順序連接的單刀單擲開(kāi)關(guān)、帶通濾波器、放大器、混頻器以及前置放大器，所述單刀單擲開(kāi)關(guān)還與單刀雙擲開(kāi)關(guān)連接且接收daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的一路ttl控制信號(hào)，所述前置放大器與daq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)采集端口連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)生器與混頻器連接，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)作為混頻器的本振信號(hào)輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種原子核自旋指向操控和進(jìn)動(dòng)信號(hào)測(cè)量的系統(tǒng)的方法，其特征在于，包括：
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【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳藝，田騰，趙龍，仇茹嘉，王鑫，耿佳琪，王恩惠，胡嘯宇，孫偉，王慶軍，朱太云，鄒知煒，陳瑤，趙立波，蔣莊德，郭舉，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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