CN111337868B - 一种核自旋纵弛豫时间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种核自旋纵弛豫时间测量方法，该方法包括：调整原子气室的温度，设置三维磁线圈对原子气室施加磁场；设置检测激光沿x方向通过原子气室，对通过原子气室的检测激光进行信号处理并采集处理后的信号，设置驱动激光沿z方向射入原子气室；阻断驱动激光的抽运光路直至核自旋完全退极化；恢复驱动激光的抽运光路，并同步保存采集的信号和抽运时间直至保存的信号的幅值稳定；对保存的信号进行分段处理，对每段信号分别进行傅里叶变换并计算每段信号对应的激励共振幅度，根据每段信号对应的激励共振幅度和抽运时间进行数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中核自旋纵弛豫时间测量效率低的技术问题。

Description

一种核自旋纵弛豫时间测量方法

技术领域

本发明涉及原子传感器技术领域，尤其涉及一种核自旋纵弛豫时间测量方法。

背景技术

核自旋是一些原子传感器如核磁共振陀螺中的主要工作介质，核自旋的弛豫时间是影响传感器性能的重要参数。自旋弛豫时间越长，传感器的精度越高，因此，延长自旋弛豫时间是传感器研制的一项核心技术。为检验各种因素对核自旋弛豫时间的作用，必须准确测量弛豫时间。

自旋弛豫分为纵弛豫和横弛豫。纵弛豫主要包括与气室内其他原子的相互作用，以及与气室壁碰撞引起的弛豫，纵弛豫时间是纵向极化率退极化的特征时间，其体现了气室本身的性能。横弛豫时间是自旋横向信号自然衰减的特征时间。由于退极化也引起横向信号衰减，因此，横弛豫包括退极化和退相干两种作用引起的弛豫。纵弛豫时间是横弛豫时间的上限。

目前，常用的核自旋纵弛豫时间测量方法主要包括延迟激励法和反转延迟激励法。延迟激励法是在不同抽运时间下检测核自旋极化幅度，而反转延迟激励法首先极化核自旋达到稳定幅度，然后将核自旋反转，再在不同延迟时间下检测核自旋极化幅度。上述两种方法利用不同延迟时间测试的极化幅度，对纵弛豫时间进行拟合。每次检测核自旋极化幅度的方法，可以利用磁场将核自旋旋转一定角度，使其具有横向分量，再通过横向检测光进行检测。但由于上述两种传统方法在每一个延迟时间点都必须重复进行核自旋的完全退极化与极化，而为了较好拟合纵弛豫时间，需要测量多个延迟时间点，因此对于弛豫时间较长的气室，纵弛豫时间的测量需要花费大量时间，这使得核自旋纵弛豫时间的测量效率极低。

发明内容

本发明提供了一种核自旋纵弛豫时间测量方法，能够解决现有技术中核自旋纵弛豫时间测量效率低的技术问题。

本发明提供了一种核自旋纵弛豫时间测量方法，该核自旋纵弛豫时间测量方法包括：调整原子气室的温度至设定工作温度，设置三维磁线圈对原子气室施加磁场；设置检测激光沿x方向通过原子气室，对通过原子气室的检测激光进行信号处理并采集处理后的信号，设置驱动激光沿z方向射入原子气室，x方向与z方向垂直；阻断驱动激光的抽运光路直至原子气室内核自旋完全退极化；恢复驱动激光的抽运光路以极化原子气室内的原子，并同步保存采集的信号和抽运时间直至保存的信号的幅值稳定；对保存的信号进行分段处理，对每段信号分别进行傅里叶变换并计算每段信号对应的激励共振幅度，根据每段信号对应的激励共振幅度和每段信号对应的抽运时间进行数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间。

进一步地，设置三维磁线圈对原子气室施加磁场具体包括：三维磁线圈沿z方向施加恒定磁场B₀，并沿y方向施加频率为f的离共振激励磁场，其中，f＝γB₀+Δf，γ为待测核自旋的旋磁比，Δf为预估频率差，x、y和z方向两两相互垂直。

进一步地，对保存的信号进行分段处理具体包括：对保存的信号进行频谱分析以确定自然共振频率f₀，计算准确频率差Δf′＝f-f₀；令保存的信号对应的初始抽运时间为0，记录终止抽运时间T；从初始抽运时间开始按照时间段Δt＝1/Δf′将保存的信号分成M段，其中，Δt·M≤T＜Δt·(M+1)。

进一步地，根据

计算第J段信号对应的激励共振幅度，其中，a_J为第J段信号对应的激励共振幅度，J∈{1,2,...,M}，N为第J段信号对应的数据长度，N＝Δt·n，n为采样率，y_Ji为第J段信号中第i个数据点对应的信号幅值，t_Ji为第J段信号中第i个数据点对应的抽运时间，i∈{1,2,...,N}。

进一步地，根据每段信号对应的激励共振幅度和每段信号对应的抽运时间进行数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间具体包括：根据

解算M段信号对应的M个平均抽运时间{t₁,t₂,...,t_J,...t_M}；通过

对M个平均抽运时间{t₁,t₂,...,t_J,...t_M}和对应的M个激励共振幅度{a₁,a₂,...,a_J,...a_M}进行拟合，获取核自旋纵弛豫时间T₁，其中，a为拟合参数，t为时间自变量，y(t)为因变量。

进一步地，对通过原子气室的检测激光进行信号处理具体包括：依次对通过原子气室的检测激光进行分光、差分和放大处理。

进一步地，核自旋纵弛豫时间测量方法采用关闭驱动激光光源或遮挡驱动激光的抽运光路的方式阻断驱动激光的抽运光路。

应用本发明的技术方案，提供了一种核自旋纵弛豫时间测量方法，该核自旋纵弛豫时间测量方法通过一次退极化和极化处理，以及对连续采集的数据进行分段处理和数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间，该核自旋纵弛豫时间测量方法能够以更短的时间有效测量核自旋的纵弛豫时间，大幅提高了核自旋纵弛豫时间的测量效率。与现有技术相比，本发明的核自旋纵弛豫时间测量方法能够解决现有技术中核自旋纵弛豫时间测量效率低的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的核自旋纵弛豫时间测量装置的原理示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、起偏器与1/4波片；2、原子气室；3、三维磁线圈；4、起偏器；5、1/2波片与偏振分光镜；6、差分型光电探测器；7、磁屏蔽桶。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明的具体实施例提供了一种核自旋纵弛豫时间测量方法，该核自旋纵弛豫时间测量方法包括：调整原子气室2的温度至设定工作温度，设置三维磁线圈3对原子气室2施加磁场；设置检测激光沿x方向通过原子气室2，对通过原子气室2的检测激光进行信号处理并采集处理后的信号，设置驱动激光沿z方向射入原子气室2，x方向与z方向垂直；阻断驱动激光的抽运光路直至原子气室2内核自旋完全退极化；恢复驱动激光的抽运光路以极化原子气室2内的原子，并同步保存采集的信号和抽运时间直至保存的信号的幅值稳定；对保存的信号进行分段处理，对每段信号分别进行傅里叶变换并计算每段信号对应的激励共振幅度，根据每段信号对应的激励共振幅度和每段信号对应的抽运时间进行数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间。

应用此种配置方式，提供了一种核自旋纵弛豫时间测量方法，该核自旋纵弛豫时间测量方法通过一次退极化和极化处理，以及对连续采集的数据进行分段处理和数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间，该核自旋纵弛豫时间测量方法能够以更短的时间有效测量核自旋的纵弛豫时间，大幅提高了核自旋纵弛豫时间的测量效率。与现有技术相比，本发明的核自旋纵弛豫时间测量方法能够解决现有技术中核自旋纵弛豫时间测量效率低的技术问题。

进一步地，在本发明中，为了实现对核自旋纵弛豫时间的测量，首先调整原子气室2的温度至设定工作温度。作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，原子气室2设置在磁屏蔽桶7内三维磁线圈3的中心位置处，通过加热单元维持原子气室2温度恒定在设定工作温度。在本实施例中，原子气室2的设定工作温度可根据需要进行调整，例如可设定为100℃。

此外，在本发明中，在调整原子气室2温度在设定工作温度后，设置三维磁线圈3对原子气室2施加磁场。作为本发明的一个具体实施例，三维磁线圈3沿z方向对原子气室2施加恒定磁场B₀，并沿y方向施加频率为f的小幅正弦的离共振激励磁场，其中，f＝γB₀+Δf，γ为待测核自旋的旋磁比，Δf为预估频率差，x、y和z方向两两相互垂直。在本实施例中，恒定磁场B₀可设置为0.1Gs。预估频率差Δf的大小根据信号强弱和预估弛豫时间选取，需满足1/Δf远小于预估弛豫时间，例如预估频率差Δf可设置为0.5Hz。

进一步地，在本发明中，在三维磁线圈3对原子气室2施加磁场之后，设置检测激光沿x方向通过原子气室2，对通过原子气室2的检测激光进行信号处理并采集处理后的信号。作为本发明的一个具体实施例，依次对通过原子气室2的检测激光进行分光、差分和放大处理，并将处理完成的信号接入信号采集系统以进行信号采集。在本实施例中，如图1所示，检测光源发出的激光经起偏器4后形成线偏振的检测激光，在通过原子气室2后首先经1/2波片与偏振分光镜5分成光强相同的两束光，两束光随后射入差分型光电探测器6中进行差分和放大处理。信号采集系统可配置为包括示波器，以便于进行信号的同步观测和数据记录。

此外，在本发明中，在完成检测激光的设置之后，设置驱动激光沿z方向射入原子气室2，x方向与z方向垂直。作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，驱动光源发出的激光经起偏器与1/4波片1后形成圆偏振驱动激光，频率为碱金属原子D1线频率，沿z方向射入原子气室2，使得原子气室2内的碱金属与惰性气体核自旋极化。

进一步地，在本发明中，在完成驱动激光的设置之后，阻断驱动激光的抽运光路直至原子气室2内核自旋完全退极化。作为本发明的一个具体实施例，可采用关闭驱动激光光源或遮挡驱动激光的抽运光路的方式阻断驱动激光的抽运光路。该步骤需阻断驱动激光的抽运光路足够长的时间，例如5分钟，以使得核自旋完全退极化。

此外，在本发明中，在原子气室2内核自旋完全退极化之后，恢复驱动激光的抽运光路以极化原子气室2内的原子，并同步保存采集的信号和抽运时间直至保存的信号的幅值稳定。作为本发明的一个具体实施例，可通过打开驱动激光光源或移除遮挡驱动激光的抽运光路的遮挡物以恢复驱动激光的抽运光路。

进一步地，在本发明中，在完成连续信号的保存之后，对保存的信号进行分段处理。作为本发明的一个具体实施例，对保存的信号进行分段处理具体包括：对保存的信号进行频谱分析以确定自然共振频率f₀，计算准确频率差Δf′＝f-f₀；令保存的信号对应的初始抽运时间为0，记录终止抽运时间T；从初始抽运时间开始按照时间段Δt＝1/Δf′将保存的信号分成M段，其中，Δt·M≤T＜Δt·(M+1)。

此外，在本发明中，在对保存的信号进行分段之后，对每段信号分别进行傅里叶变换并计算每段信号对应的激励共振幅度。作为本发明的一个具体实施例，可根据

计算第J段信号对应的激励共振幅度，其中，a_J为第J段信号对应的激励共振幅度，J∈{1,2,...,M}，N为第J段信号对应的数据长度，N＝Δt·n，n为采样率，y_Ji为第J段信号中第i个数据点对应的信号幅值，t_Ji为第J段信号中第i个数据点对应的抽运时间，i∈{1,2,...,N}。

进一步地，在本发明中，在获取每段信号对应的激励共振幅度之后，根据每段信号对应的激励共振幅度和每段信号对应的抽运时间进行数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间。

作为本发明的一个具体实施例，可根据

解算M段信号对应的M个平均抽运时间{t₁,t₂,...,t_J,...t_M}；通过

对M个平均抽运时间{t₁,t₂,...,t_J,...t_M}和对应的M个激励共振幅度{a₁,a₂,...,a_J,...a_M}进行拟合，获取核自旋纵弛豫时间T₁，其中，a为拟合参数，t为时间自变量，y(t)为因变量。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明的核自旋纵弛豫时间测量方法进行详细说明。

根据本发明的具体实施例提供了一种核自旋纵弛豫时间测量方法，该核自旋纵弛豫时间测量方法包括以下步骤。

步骤一，调整原子气室的温度至设定工作温度，三维磁线圈沿z方向对原子气室施加恒定磁场B₀，沿y方向施加频率为f的小幅正弦的离共振激励磁场。

步骤二，设置检测激光沿x方向通过原子气室，对通过原子气室的检测激光进行分光、差分和放大处理并采集处理后的信号，设置驱动激光沿z方向射入原子气室。

步骤三，关闭驱动激光光源或遮挡驱动激光的抽运光路以阻断驱动激光的抽运光路直至原子气室内核自旋完全退极化。

步骤四，恢复驱动激光的抽运光路以极化原子气室内的原子，并同步保存采集的信号和抽运时间直至保存的信号的幅值稳定。

步骤五，对保存的信号进行频谱分析以确定自然共振频率f₀，计算准确频率差Δf′＝f-f₀。令保存的信号对应的初始抽运时间为0，记录终止抽运时间T。从初始抽运时间开始按照时间段Δt＝1/Δf′将保存的信号分成M段。

对每段信号分别进行傅里叶变换并根据

计算M段信号对应的激励共振幅度。

根据

解算M段信号对应的M个平均抽运时间{t₁,t₂,...,t_J,...t_M}。

通过

对M个平均抽运时间{t₁,t₂,...,t_J,...t_M}和对应的M个激励共振幅度{a₁,a₂,…,a_J,…a_M}进行拟合，获取核自旋纵弛豫时间T₁。

本发明的核自旋纵弛豫时间测量方法相比于传统的测量方法在测量时间上可减少5-10倍，大幅提高了核自旋纵弛豫时间的测量效率。

综上所述，本发明提供了一种核自旋纵弛豫时间测量方法，该核自旋纵弛豫时间测量方法通过一次退极化和极化处理，以及对连续采集的数据进行分段处理和数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间，该核自旋纵弛豫时间测量方法能够以更短的时间有效测量核自旋的纵弛豫时间，大幅提高了核自旋纵弛豫时间的测量效率。与现有技术相比，本发明的核自旋纵弛豫时间测量方法能够解决现有技术中核自旋纵弛豫时间测量效率低的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种核自旋纵弛豫时间测量方法，其特征在于，所述核自旋纵弛豫时间测量方法包括：

调整原子气室的温度至设定工作温度，设置三维磁线圈对所述原子气室施加磁场；

设置检测激光沿x方向通过所述原子气室，对通过所述原子气室的检测激光进行信号处理并采集处理后的信号，设置驱动激光沿z方向射入所述原子气室，所述x方向与所述z方向垂直；

阻断所述驱动激光的抽运光路直至所述原子气室内核自旋完全退极化；

恢复所述驱动激光的抽运光路以极化所述原子气室内的原子，并同步保存采集的信号和抽运时间直至保存的信号的幅值稳定；

对保存的信号进行分段处理，对每段信号分别进行傅里叶变换并计算每段信号对应的激励共振幅度，根据每段信号对应的所述激励共振幅度和每段信号对应的所述抽运时间进行数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间；

设置三维磁线圈对所述原子气室施加磁场具体包括：所述三维磁线圈沿所述z方向施加恒定磁场B₀，并沿y方向施加频率为f的离共振激励磁场，其中，f＝γB₀+Δf，γ为待测核自旋的旋磁比，Δf为预估频率差，所述x、y和z方向两两相互垂直；

对保存的信号进行分段处理具体包括：

对保存的信号进行频谱分析以确定自然共振频率f₀，计算准确频率差Δf′＝f-f₀；

令保存的信号对应的初始抽运时间为0，记录终止抽运时间T；

从初始抽运时间开始按照时间段Δt＝1/Δf′将保存的信号分成M段，其中，Δt·M≤T＜Δt·(M+1)。

2.根据权利要求1所述的核自旋纵弛豫时间测量方法，其特征在于，根据

计算第J段信号对应的激励共振幅度，其中，a_J为第J段信号对应的激励共振幅度，J∈{1,2,...,M}，N为第J段信号对应的数据长度，N＝Δt·n，n为采样率，y_Ji为第J段信号中第i个数据点对应的信号幅值，t_Ji为第J段信号中第i个数据点对应的抽运时间，i∈{1,2,...,N}。

3.根据权利要求2所述的核自旋纵弛豫时间测量方法，其特征在于，根据每段信号对应的所述激励共振幅度和每段信号对应的所述抽运时间进行数据拟合以获取核自旋纵弛豫时间具体包括：

根据

解算M段信号对应的M个平均抽运时间{t₁,t₂,...,t_J,...t_M}；

通过

对M个平均抽运时间{t₁,t₂,...,t_J,...t_M}和对应的M个所述激励共振幅度{a₁,a₂,...,a_J,...a_M}进行拟合，获取核自旋纵弛豫时间T₁，其中，a为拟合参数，t为时间自变量，y(t)为因变量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的核自旋纵弛豫时间测量方法，其特征在于，对通过所述原子气室的检测激光进行信号处理具体包括：依次对通过所述原子气室的检测激光进行分光、差分和放大处理。

5.根据权利要求1所述的核自旋纵弛豫时间测量方法，其特征在于，所述核自旋纵弛豫时间测量方法采用关闭所述驱动激光光源或遮挡所述驱动激光的抽运光路的方式阻断所述驱动激光的抽运光路。

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