基于宽带核磁共振法测量时变磁场的方法和实验研究

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强磁场环境是物理、化学、生命科学等多个学科探索未知领域的新平台,在许多学科领域中都能帮助科学研究人员找到创新的入口,准确标定脉冲强磁场,不但是上述科学研究的需要,也将有助于发展磁场精密测量技术。目前,由于脉冲强磁场的幅度变化大、持续时间短、空间均匀性差等特点导致很难准确测量出脉冲强磁场的全貌。而基于核磁共振法的测试方法因其测量磁场的范围宽、误差小这些优点而引起学者们重视。常规的脉冲核磁共振技术仅限于对恒定纵向磁场或脉冲纵向磁场某一瞬间的场强进行测量,本文提出了一种基宽带核磁共振原理的磁场精密测量方法,即:在脉冲纵向磁场环境中,用具有一定频带宽度的射频磁场持续激励观测样品,从而免去常规NMR实验中必不可少的场频联锁环节,并同时获得纵向磁场随时间的变化规律,在相关现象的物理机理、实验方法设计、信号处理关键技术等方面都有所创新。论文从常规NMR理论入手,分析了原子核磁化强度的弛豫过程并求解了用于表达原子核系统的磁化强度随时间变化的运动方程——布洛赫方程,最后从理论上推演了氢质子在发生核磁共振时其感应电动势的检测方式以及感应电动势的变化形式,并从物理原理上验证了本论文所提出的时变磁场测量方法的正确性。在上述理论工作基础上,构建了以正交双线圈探头和先进信号处理技术为核心的观测时变磁场NMR现象的电子学系统,搭建了集宽带射频信号产生与低失真发射、非稳态NMR信号的大动态范围接收-采集-分析处理功能于一体的实验平台,并在该平台上进行了低场情况下的单频、离散多频和宽带脉冲激励下的NMR实验,在此基础上,通过对实验数据进行自适应干扰抵消算法等相关处理分析,最终反演出时变磁场的场强随时间的变化特性,验证了论文提出方法的正确性和可行性。论文的最后思索了相应的调整优化措施,已期望达到更好的测量效果。
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