研制用于探测脑磁信号的超高灵敏度原子磁强计

发布时间：2020-06-06 03:04

【摘要】：近年来,随着基于无自旋交换碰撞弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)超高灵敏度原子磁强计的快速发展,其在理论上及实验上均实现了弱磁测量领域内的最高磁灵敏度。鉴于其超高灵敏度和相对于超导量子干涉仪无需制冷设备以及可进行微型化设计制作,使其在量子传感器领域尤其是弱磁探测领域有着不可比拟的优势。弱磁探测被广泛应用于地质勘探,军事反潜,生物医学等。尤其在脑磁测量领域,光泵原子磁强计被人们寄予厚望,有望成为下一代脑磁图设备中取代超导量子干涉仪型磁强计的量子磁传感器。本文从单光束SERF型原子磁强计原理研究开始,确立了单光束磁场调制的实验方案。采用3D打印技术和自主开发虚拟仪器制成了可用于脑磁探测的微型单探头四通道原子磁强计。此原子磁强计气室内部大小为8 mm×8 mm×8 mm,气室内冲入碱金属钾,实现了梯度灵敏度小于6 f T/√Hz,整个原子磁强计的外部尺寸为20 mm×40 mm×190 mm。然后使用此原子磁强计进行脑磁信号探测。因稳态视觉刺激产生的脑磁信号与视觉刺激频率有着很强的相关性,即视觉刺激产生的脑磁信号频率是视觉刺激频率同频率或者谐频率。采用30 s的测量时间,单探头四个通道均获得了强度范围为150 f T～300 f T,信噪比为3.5～5.5的视觉脑磁信号。此信号强度因原子磁强计更易贴近头皮而强于基于超导量子干涉仪的脑磁仪。其信噪比略低于传统脑电设备,但脑电设备获得的信噪比涨落更大。随后针对视觉刺激的脑磁进行探头优化升级有望实现信噪比优于传统脑电设备,同时进行脑磁探测无需使用液体导电硅胶,提高了测试舒适度,缩短前期实验准备时间以及便于进行长时探测。本文研究工作为随后将原子磁强计广泛应用于基于脑磁的脑部疾病诊断,脑认知科学研究和脑机接口等技术打下基础。
【图文】：

示意图,拉莫尔进动,自旋交换,碰撞几率

得它完全可以胜任以前只能由基于 SQ场探测，尤其是脑磁领领域，，有望成为发展和进步。实现无自旋交换弛豫的基本原理介绍图由式 (1.8) 表示：A(↑) + B(↓) → A(↓) + B(↑) 39K 为例，处于基态钾原子，由于自旋即 F = 1 和 F = 2。两个超精细基态上= 1/2，因此在外磁场的作用下处于两进动。接下来分析自旋碰撞率与拉莫先当拉莫尔进动频率 ωF远远大于自旋

示意图,拉莫尔进动,自旋交换,碰撞几率

图 1.9 在自旋交换碰撞几率远小于拉莫尔进动频率时，磁强计信号示意图.9 Schematic diagram of the magnetometer signal when the spin exchangeis much less than the Larmor precession frequency时域和频谱中均可获得进动频率信息，从而测得外界磁场强度。每发生一次自旋交换碰撞，相应的拉莫尔进动频率便在正负频因自旋交换碰撞几率相对拉莫尔进动频率不高，此时可以顺利拉莫尔进动频率信息，从而实现磁场测量。是随着自旋交换碰撞几率相当或稍大于拉莫尔进动频率时，此如图 (1.10) 所示：
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM936

【相似文献】