CN106770416A - 一种基于LabVIEW的129Xe核子弛豫时间测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统。该系统包括LabVIEW上位机、微机USB接口模块和下位机采集卡。其中，LabVIEW上位机用于脉冲序列的生成与显示，以及核磁共振FID信号的显示、存储与分析；微机USB接口模块用于上位机与下位机间的数据通讯；下位机采集卡用于脉冲序列的输出与核磁共振FID信号的采集。本发明以LabVIEW为软件平台，搭建了友好的人机交互界面，大大缩减了开发周期并节约了开发成本，具有构成简单、操作便捷、测量结果准确的特点，能有效完成¹²⁹Xe核子弛豫时间的测量。

Description

一种基于LabVIEW的129Xe核子弛豫时间测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，属于测量技术、虚拟仪器技术、核磁共振领域。

背景技术

核磁共振陀螺仪以磁共振气室内充入的碱金属原子和稀有气体同位素原子为原子源作为敏感介质，原子源的性能直接决定了光学量子操控所能实现的性能极限。表征原子源性能的重要参数为原子的弛豫时间。延长核自旋系综的弛豫时间可以提高核磁共振陀螺仪的精度；另一方面，电子自旋的弛豫时间越长，检测分辨率越高，陀螺仪输出信号的灵敏度越高。

弛豫时间分为纵向弛豫时间和横向弛豫时间，普遍采用脉冲核磁共振技术中的脉冲序列法对其进行测量。就精密测量而言，脉冲序列的时序控制和精准输出，对测量结果的可靠性有着重要影响。

目前常用的脉冲磁共振测量系统大多采用脉冲积分器、射频发射器作为脉冲信号的输出装置，利用顺序控制器严格控制脉冲时序，使用示波器作为核磁共振FID(FreeInduction Decay)信号的显示装置，整体系统方案复杂，所需仪器装置较多，不便于脉冲序列的产生，更不易于核磁共振FID信号的存储与分析。特别地，现有的脉冲磁共振系统所需磁场较大，多为几个特斯拉，这将导致核磁共振陀螺仪系统磁化，不利于其工作。上述弛豫时间测量系统主要应用于核磁共振陀螺仪上，用于测量¹²⁹Xe核子的弛豫时间，要求在射频磁场较低的条件下，完成对于弛豫时间的测定。但目前尚未有相似的装置。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有弛豫时间测量系统所需外部仪器多、结构复杂、脉冲控制困难、测量效率低的不足，提供一种结构简单、操作方便且输出脉冲精确、测量效率较高的用于测量¹²⁹Xe核子弛豫时间的系统。本发明提出了一种基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，能实现¹²⁹Xe核子弛豫时间的高精度测量，大大简化了测量所需设备，不仅便于控制脉冲序列的时序，还保证了脉冲序列的精准输出，实现了对核磁共振FID信号的存储与分析，拥有友好的人机交互界面。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，包括LabVIEW上位机、微机USB接口模块和下位机采集卡；所述LabVIEW上位机用于脉冲序列的生成与显示，以及核磁共振FID信号的显示、存储与分析；所述微机USB接口模块用于LabVIEW上位机与下位机采集卡之间的数据通讯，实现信号的传输，构建上位机与下位机间的连接关系；所述下位机采集卡用于脉冲序列的输出与核磁共振FID信号的采集。

作为优选的，所述核磁共振FID信号的显示、存储与分析功能指的是FID信号在上位机图形界面中显示；FID信号及各点的采样时间，以二进制文件形式存储至上位机中；FID信号经LabVIEW程序处理所得最初振幅，在LabVIEW人机交互界面上显示。

作为优选的，所述下位机采集卡采用NI公司PXI系列板卡。

作为优选的，核磁共振陀螺仪的射频磁场采用脉冲形式，以角频率ω₀生成的脉冲序列，通过X轴、Y轴施加于¹²⁹Xe核子上。X、Y两个方向的脉冲可分别表示为：

I_x＝KB₁cos(ω₀t),I_y＝-KB₁sin(ω₀t)

其中，K为磁场常数，表示产生每单位磁场所需电流大小，单位为A/nT；ω₀＝γB₀，ω₀为¹²⁹Xe核子的共振频率，γ为¹²⁹Xe核子的旋磁比，B₀为核磁共振系统的稳恒磁场；B₁为射频磁场的幅度；t为磁场作用时间。磁场常数、射频磁场的幅度及共振频率是LabVIEW上位机的输入参数。

作为优选的，所述脉冲序列可按时间顺序，在0≤t≤T₁时生成第一脉冲，在T₁+τ≤t≤T₁+τ+T₂时生成第二脉冲，τ为第一与第二脉冲的间隔时间。

该脉冲序列可写为如下表达式：

I_x＝KB₁cos(ω₀t)u(t)

I_y＝-KB₁sin(ω₀t)u(t)

其中，k为第二脉冲个数，取值为0或1，当k＝0时，不输出第二脉冲，当k＝1时，输出第个二脉冲。T₁为第一脉冲持续的时间宽度，简称第一脉冲宽度；T₂为第二脉冲宽度。控制脉冲序列的参数有：第二脉冲个数k，第一脉冲宽度T₁，第二脉冲宽度T₂，第一与第二脉冲的间隔时间τ。

采用所述基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，实现¹²⁹Xe核子弛豫时间测量的方法，包括下述步骤：

步骤1)权利要求1所述的LabVIEW上位机中，设置权利要求1中所述LabVIEW下位机采集卡的板卡参数；

步骤2)权利要求1所述的LabVIEW上位机中，给定射频磁场频率和幅度B₁、磁场常数及采样时间；

步骤3)权利要求1所述的LabVIEW上位机中，在一个周期内改变脉冲宽度的值，启动脉冲输出，记录不同脉冲宽度下FID信号的最初振幅并绘制“脉冲宽度—FID振幅”点图，拟合该点图，所得曲线FID振幅最大处为¹²⁹Xe核子的90°脉冲；

步骤4)获得横向弛豫时间的测量数据：在所述的LabVIEW上位机中，设置“第一脉冲宽度”设为90°脉冲的脉冲宽度、“第二脉冲个数”设为0，按下启动按钮，存储核磁共振FID信号；

步骤5)获得纵向弛豫时间的测量数据：在所述的LabVIEW上位机中，设置“第一脉冲宽度”设为180°脉冲的脉冲宽度，“第二脉冲宽度”设为90°脉冲的脉冲宽度，“第二脉冲个数”设为1，输出“180°-τ-90°”脉冲序列；改变“第一与第二脉冲的时间间隔”，记录相应FID信号的最初振幅；

步骤6)对步骤4)和步骤5)测得的数据进行处理，得到¹²⁹Xe核子的横向弛豫时间与纵向弛豫时间。

本发明所施加射频磁场与¹²⁹Xe核子核磁共振FID信号的关系是：

对¹²⁹Xe核磁共振陀螺仪系统施加射频磁场B₁，将导致¹²⁹Xe核子磁矩矢量沿垂直于射频磁场的平面以角频率ω旋转，不同脉冲宽度T对应不同旋转角θ，其中，ω＝γB₁，θ＝ωT＝γB₁T。θ＝90°时称为90°脉冲，产生核磁共振FID信号振幅最强；θ＝180°时称为180°脉冲，产生核磁共振FID信号振幅为0。

本发明针对¹²⁹Xe核子90°脉冲及180°脉冲的测定原理是：

固定射频磁场幅度B₁不变，在一定范围内改变脉冲宽度T，记录FID信号的最初振幅并绘制“脉冲宽度—FID振幅”点图，FID振幅最大处为¹²⁹Xe核子90°脉冲。射频磁场幅度B₁相同时，180°脉冲宽度为90°脉冲宽度的2倍。

本发明针对¹²⁹Xe核子横向弛豫时间T₂，采用的测量方法是：

利用90°脉冲激励¹²⁹Xe核子，找到FID信号的半衰期T_1/2，¹²⁹Xe核子横向弛豫时间T₂可由T_1/2计算得出：

T₂＝T_1/2/ln(2)

本发明针对¹²⁹Xe核子纵向弛豫时间T₁，采用的测量方法是：

利用“180°-τ-90°”脉冲序列，其中τ为180°脉冲与90°脉冲的间隔时间，多次改变τ，记录核磁共振FID信号最初振幅，绘制“脉冲间隔—FID振幅”点图并拟合。由拟合结果可得纵向弛豫时间T₁。

本发明与现有技术相比，本发明提出的基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，以LabVIEW为软件平台，搭建了友好的人机交互界面，大大缩减了开发周期并节约了开发成本，具有构成简单、操作便捷、测量结果准确的特点，有效提高了¹²⁹Xe核子弛豫时间的测量效率。同时本系统输出的脉冲序列波形准确，形式多样，核磁共振FID信号便于实时显示与存储。

附图说明

图1为本发明的测量系统组成结构框图；

图2为本发明的程序流程图；

图3为“脉冲宽度—FID振幅”拟合曲线；

图4为“脉冲间隔—FID振幅”拟合曲线。

具体实施方式

本发明提出了一种基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。

如图1所示为本发明的测量系统组成结构框图。一种基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，包括LabVIEW上位机、微机USB接口模块和下位机采集卡；所述LabVIEW上位机用于脉冲序列的生成与显示，以及核磁共振FID信号的显示、存储与分析；所述微机USB接口模块用于LabVIEW上位机与下位机采集卡之间的数据通讯，实现信号的传输，构建上位机与下位机间的连接关系；所述下位机采集卡用于脉冲序列的输出与核磁共振FID信号的采集。

所述核磁共振FID信号的显示、存储与分析功能指的是FID信号在上位机图形界面中显示；FID信号及各点的采样时间，以二进制文件形式存储至LabVIEW上位机中；FID信号经LabVIEW程序处理所得最初振幅，在LabVIEW人机交互界面上显示。

所述下位机采集卡采用NI公司PXI系列板卡。

核磁共振陀螺仪的射频磁场采用脉冲形式，以角频率ω₀生成的脉冲序列，通过X轴、Y轴施加于¹²⁹Xe核子上。X、Y两个方向的脉冲可分别表示为：

I_x＝KB₁cos(ω₀t),I_y＝-KB₁sin(ω₀t)

其中，K为磁场常数，表示产生每单位磁场所需电流大小，单位为A/nT；ω₀＝γB₀，ω₀为¹²⁹Xe核子的共振频率，γ为¹²⁹Xe核子的旋磁比，B₀为核磁共振系统的稳恒磁场；B₁为射频磁场的幅度；t为磁场作用时间。磁场常数、射频磁场的幅度及共振频率是LabVIEW上位机的输入参数。

所述脉冲序列可按时间顺序，在0≤t≤T₁时生成第一脉冲，在T₁+τ≤t≤T₁+τ+T₂时生成第二脉冲，τ为第一与第二脉冲的间隔时间。

该脉冲序列可写为如下表达式：

I_x＝KB₁cos(ω₀t)u(t)

I_y＝-KB₁sin(ω₀t)u(t)

其中，k为第二脉冲个数，取值为0或1，当k＝0时，不输出第二脉冲，当k＝1时，输出第个二脉冲。T₁为第一脉冲持续的时间宽度，简称第一脉冲宽度；T₂为第二脉冲宽度。控制脉冲序列的参数有：第二脉冲个数k，第一脉冲宽度T₁，第二脉冲宽度T₂，第一与第二脉冲的间隔时间τ。

如图2为采用本发明所述装置，实现¹²⁹Xe核子弛豫时间测量的方法流程图，具体实施步骤如下：

步骤1)在所述的LabVIEW上位机中，设置所述下位机采集卡的板卡参数，板卡输入物理通道为PXI-6366板卡的ai0通道，板卡输出物理通道为PXI-6366板卡的ao0通道，最大电压设为10V，最小电压设为-10V，采样率设为10000sa/s；

步骤2)在所述的LabVIEW上位机中，给定射频磁场频率和幅度B₁、磁场常数及采样时间，此处频磁场频率为核子共振频率116Hz左右，射频磁场幅度B₁设为750nT，采样时间取1分钟；

步骤3)在所述的LabVIEW上位机中，在一个周期内改变脉冲宽度的值，启动脉冲输出，记录不同脉冲宽度下FID信号的最初振幅并绘制“脉冲宽度—FID振幅”点图，拟合该点图，所得曲线FID振幅最大处为¹²⁹Xe核子的90°脉冲；以¹²⁹Xe核子90°脉冲数据处理过程为例进行说明：

如图3为“脉冲宽度—FID振幅”拟合曲线，曲线数据由步骤3)采集得到。B₁为射频磁场幅度，本实施例的取值为50mV；T为脉冲宽度，是曲线横坐标，本实施例T的测试取值范围是14ms～210ms；y₁为对应FID振幅，是曲线纵坐标。拟合结果为：

y₁＝0.2256sin(0.03143T)

则当y₁达到最大值时，T＝49.9776ms，为测得90°脉冲的脉冲宽度。

步骤4)获得横向弛豫时间的测量数据：在所述的LabVIEW上位机中，设置“第一脉冲宽度”设为90°脉冲的脉冲宽度、“第二脉冲个数”设为0，按下启动按钮，存储核磁共振FID信号。

步骤5)获得纵向弛豫时间的测量数据：在所述的LabVIEW上位机中，设置“第一脉冲宽度”设为180°脉冲的脉冲宽度，“第二脉冲宽度”设为90°脉冲的脉冲宽度，“第二脉冲个数”设为1，输出“180°-τ-90°”脉冲序列；改变“第一与第二脉冲的时间间隔”，记录相应FID信号的最初振幅；

步骤6)对步骤4)和步骤5)测得的数据进行处理，得到¹²⁹Xe核子的横向弛豫时间与纵向弛豫时间。以¹²⁹Xe核子纵向弛豫时间数据处理过程为例进行说明：

如图4为“脉冲间隔—FID振幅”拟合曲线，曲线数据由步骤4)采集得到。B₁为射频磁场幅度，本实施例的取值为50mV；t为脉冲间隔，是曲线横坐标，本实施例t的测试取值范围是3s～33s；y₂为对应FID振幅，是曲线纵坐标。拟合结果为：

则纵向弛豫时间T₁＝15.85s。

总之，本发明这种基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统构成简单，操作方便，而且输出脉冲精确，测量效率较高，能实现¹²⁹Xe核子弛豫时间的高精度测量，大大简化了所需测量设备，不仅便于控制脉冲序列的时序，还保证了脉冲序列的精准输出，并拥有友好的人机交互界面。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，其特征在于：包括LabVIEW上位机、微机USB接口模块和下位机采集卡；所述LabVIEW上位机用于脉冲序列的生成与显示，以及核磁共振FID信号的显示、存储与分析,所述FID信号在LabVIEW上位机的图形界面中显示；FID信号及各点的采样时间，以二进制文件形式存储至LabVIEW上位机中；FID信号经LabVIEW程序处理所得最初振幅，在LabVIEW上位机的人机交互界面上显示；所述微机USB接口模块用于LabVIEW上位机与下位机采集卡之间的数据通讯，实现信号的传输，构建上位机与下位机间的连接关系；所述下位机采集卡用于脉冲序列的输出与核磁共振FID信号的采集。

2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，其特征在于：所述下位机采集卡采用NI公司PXI系列板卡。

3.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，其特征在于：所述LabVIEW上位机以角频率ω₀生成的脉冲序列，通过X轴、Y轴施加于¹²⁹Xe核子上，作为核磁共振系统中的射频磁场。

X、Y两个方向的脉冲可分别表示为：

I_x＝KB₁ cos(ω₀t),I_y＝-KB₁sin(ω₀t)

其中，K为磁场常数，表示产生每单位磁场所需电流大小，单位为A/nT；ω₀＝γB₀，ω₀为¹²⁹Xe核子的共振频率，γ为¹²⁹Xe核子的旋磁比，B₀为核磁共振系统的稳恒磁场；B₁为射频磁场的幅度；t为脉冲作用时间，磁场常数、射频磁场的幅度及共振频率是LabVIEW上位机的输入参数。

4.根据权利要求3所述的基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，其特征在于：所述脉冲序列可按时间顺序，在0≤t≤T₁时生成第一脉冲，在T₁+τ≤t≤T₁+τ+T₂时生成第二脉冲，τ为第一脉冲与第二脉冲的间隔时间；

该脉冲序列可写为如下表达式：

I_x＝KB₁ cos(ω₀t)u(t)

I_y＝-KB₁sin(ω₀t)u(t)

$u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\&le;t\&le;T_1\\ 0& T_1<t<T_1+\mathrm{\&tau;}\\ k& T_1+\mathrm{\&tau;}\&le;t\&le;T_1+\mathrm{\&tau;}+T_2\\ 0& t>T_1+\mathrm{\&tau;}+T_2\end{array}\right.$

其中，k为第二脉冲个数，取值为0或1，当k＝0时，不输出第二脉冲，当k＝1时，输出第二脉冲；T₁为第一脉冲持续的时间宽度，简称第一脉冲宽度；T₂为第二脉冲宽度；其中第二脉冲个数k，第一脉冲宽度T₁，第二脉冲宽度T₂，第一与第二脉冲的间隔时间τ是脉冲序列的参数。

5.采用权利要求1所述的基于LabVIEW的¹²⁹Xe核子弛豫时间测量系统，实现¹²⁹Xe核子弛豫时间测量的方法，其特征在于，包括下述6个步骤：

步骤1)在所述的LabVIEW上位机中，设置下位机采集卡的板卡参数；

步骤2)在所述的LabVIEW上位机中，给定射频磁场频率和幅度B₁、磁场常数及采样时间；

步骤3)在所述的LabVIEW上位机中，在一个周期内改变脉冲宽度的值，启动脉冲输出，记录不同脉冲宽度下FID信号的最初振幅并绘制“脉冲宽度—FID振幅”点图，拟合该点图，所得曲线FID振幅最大处为¹²⁹Xe核子的90^°脉冲；

步骤4)获得横向弛豫时间的测量数据：在所述的LabVIEW上位机中，设置“第一脉冲宽度”设为90°脉冲的脉冲宽度、“第二脉冲个数”设为0，按下启动按钮，存储核磁共振FID信号；

步骤5)获得纵向弛豫时间的测量数据：在所述的LabVIEW上位机中，设置“第一脉冲宽度”设为180°脉冲的脉冲宽度，“第二脉冲宽度”设为90°脉冲的脉冲宽度，“第二脉冲个数”设为1，输出“180°-τ-90°”脉冲序列；改变“第一与第二脉冲的时间间隔”，记录相应FID信号的最初振幅；

步骤6)对步骤4)和步骤5)测得的数据进行处理，得到¹²⁹Xe核子的横向弛豫时间与纵向弛豫时间。