脉冲型纵向磁场下多通道非稳态核磁共振研究

As one of extreme experimental conditions,high magnetic field environment is playing an increasingly important role in scientific research. Presently, those magnetic fields above 45T can only be produced in the condition of pulse current excitation. It is very important to carry out multi-channel non-steady state NMR experiment in pulsed longitudinal magnetic field environment, which is not only the need of scientific research, but also can provide accurate and reliable basis for optimizing the pulsed magnet. Based on the design of micro NMR probe, the project research on non steady state nuclear magnetic resonance measurement method in pulsed longitudinal magnetic field environment and experimental device. The main research contents contain four aspects: ① Thoroughly and systematically study the physical mechanism of non-steady nuclear magnetic resonance(NMR),and develop the multi channel technology system of broadband nuclear magnetic resonance method for measuring the pulsed magnetic field; ② Design and fabrication some miniaturized NMR probes which will be adapted to use in the pulsed magnet environment with poor spatial uniformity; ③ Research unique signal processing technologies for multiple channels non-steady state NMR system; ④ Design and build the double transceiver non steady state NMR experimental device,experimentally observe non-steady-state nuclear magnetic resonance phenomenon and validate key electronics technology. In-depth study on these issues, provide a basis for development of NMR technology in pulsed high magnetic field and optimization of pulsed magnets.

作为极端实验条件之一的强磁场环境在科学研究中发挥着越来越重要的作用。目前，超过45T的磁场只能通过脉冲方式产生。开展脉冲型纵向磁场下多通道宽带核磁共振现象的研究实验，既是科学研究的需要，也可为脉冲磁体的优化设计提供精确可信的测量依据。本项目以微型核磁共振探头的设计制作为基础，进行脉冲型纵向磁场环境下的非稳态核磁共振现象测量方法与实验装置的研究，以图获取脉冲磁场的全貌。研究内容主要包括四方面：①深入系统地研究脉冲型纵向磁场下非稳态核磁共振的物理机理，制定多收发通道的宽带核磁共振法测量脉冲磁场的技术体制；②设计并制作可用于场强空间分布均匀性较差的脉冲磁体环境中的微型探头；③研究非稳态多通道核磁共振系统中特有的信号处理技术；④设计并搭建双发双收非稳态核磁共振实验装置，实验观察非稳态核磁共振现象并验证关键电子学技术。对上述问题的深入研究，可为脉冲强磁场下核磁共振技术的发展与脉冲磁体的优化奠定基础。

目前，超过45T的强磁场只能通过脉冲磁体产生，因而脉冲强磁场是获得现代科学实验所需的极端物理环境的一种有效手段。本项目的动机是期望开辟非稳态核磁共振（NMR）这一新的研究领域，以此作为对脉冲型磁场的测量与标定，并进而开展脉冲磁场下的各类核磁共振实验。本项目的研究内容集中在脉冲型纵向磁场条件下非稳态核磁共振的物理机制、小型/微型探头设计与制备、多通道实验系统搭建、关键电子学信号处理和脉冲磁场可信反演处理技术四大方面等。. 本项目取得的重要结果为：提出了在时变磁场与宽带连续波射频信号共同激励下自旋核运动的研究课题，对非稳态核磁共振现象进行了理论预测；通过对不同激励条件下布洛赫方程的数值求解，得到了自旋核系综在外加脉冲型纵向磁场中的感应磁化强度矢量数值结果；研制了三种类型的时变纵向磁场磁体及配套的电源和控制装置；设计并研制了可用于上述磁体环境的正交双线圈核磁共振探头及匹配网络，采用3D打印技术制备双线圈骨架以提高探头结构的稳定性；建立了一套大收发带宽的多通道（多频带）非稳态核磁共振实验装置，该装置的带宽可以覆盖0.5T至10T脉冲磁场下的核磁共振信号观测范围，可以实现高吞吐率数据采集和大容量流盘存储，并且该装置与后端数据处理单元配合可以兼顾从低场至中/高场的非稳态核磁共振实验；深入研究了在数字域提升收发通道同频段隔离度的自适应干扰抵消算法，并给出了一种在模拟域提升收发隔离度的电路框架；系统研究了提高单接收通道、多接收通道无杂散失真动态范围（Spurious-Free Dynamic Range，SFDR）的盲信号处理算法和本底噪声降低算法，可以使SFDR提升10dB以上；研究了兼顾时间分辨率和频率分辨率的时-频分析方法，可望用于对脉冲磁场的反演；本项目已成功观察到混合磁体中的非稳态核磁共振信号，并利用其对时变磁场进行了数值反演；实验数据表明，所研制的2T脉冲磁体的磁场空间均匀性可以满足开展核磁共振实验要求，目前仍在优化探头结构和信号处理算法，以便可稳定、重复地观察非稳态NMR信号。