测量脑磁的SERF磁力仪的研制
发布时间：2021-07-27 05:40
基于无自旋交换弛豫（spin exchange relaxation free,SERF）的原子磁力仪可用于生物弱磁场的测量。与超导量子干涉（Superconducting quantum interfere device,SQUID）磁力仪相比,SERF磁力仪不仅灵敏度可与之相媲美,而且不需要低温的运行条件。在本文工作中,我们克服了诸多困难。由于磁力仪需要在低磁场强度的环境下工作,我们所有的光学镜片的镜架都通过自主设计实现了无磁化。采用高频电流加热,防止了加热可能带来的噪声。利用保温棉实现了很好的保温效果,不会由于过厚而大幅度影响探测到的大脑磁场强度。最终,我们设计了基于SERF的高灵敏度非低温铷原子磁力仪,灵敏度在15Hz处达到了6fT/（Hz）1/2。利用此SERF磁力仪,我们在屏蔽筒内实现了人的脑磁场测量。为了验证该磁力仪的性能,我们测到了大脑皮层在睁眼-闭眼状态下的脑磁场差异以及听觉刺激诱发的脑磁场。对于脑磁场测量,需要同时对多个位置进行磁场测量。为此,我们在单通道的基础上开发了一种基于单个较大气室的多通道SERF磁力仪,可以同时测量垂直于头皮的四个相邻...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种磁信号的强度
由于液氦消耗，商用多通道 SQUID 脑磁系统的运行成本每年会超过数十万美元。如此高的运行成本也限制了 MEG 的研究与发展。图1-3 SQUID磁力仪装置图[17]Figure 1-3. Experiment setup of the SQUID magnetometer1.2.2 SERF 磁力仪原子磁力仪的灵敏度受横向自旋弛豫时间的限制，其中最主要的自旋弛豫过程就是由自旋极化的原子之间相互碰撞引起的自旋交换弛豫。在 1973 年 Happer教授发现了在外磁场非常低的情况下(约 nT)，单个原子的自由拉莫尔进动频率将远小于原子间的自旋交换频率，因此尽管自旋交换碰撞是个去相干的过程，但是在远小于一个自由进动周期的时间段内，大量的碰撞使得每个原子能够按照统计学分布达到布居几率的热平衡，这样总的原子自旋反倒以一个非常稳定的频率进动，从而彻底消除了自旋交换弛豫。目前 SERF 磁力仪的灵敏度几乎可以超过SQUID 磁力仪成为最灵敏的磁传感器，其灵敏度可以低于 1fT/ Hz[18]。更重要的是
D2 线为探测光，并利用该磁力仪记录了由正中神经和听觉刺激引起的脑磁信号。2015 年，Kamada 团队开发了一种只有泵浦光的 SERF 磁力仪[22]。其灵敏度在 10Hz 时达到了 21fT/ Hz ，足以测量人体的脑磁图。利用该磁力仪，他们探测了眼睛睁闭眼相关的阿尔法波段的脑磁差异证明了该磁力仪系统测量脑磁的可行性。2016 年，Schwindt 团队于 2016 年开发了一种 4 通道的 SERF 磁力仪[23]，其灵敏度在高于 10Hz 时达到了 5fT/ Hz 。在文献中，他们利用一种特殊的被动衍射光学元件（DOE），在一个气室内实现了梯度测量，利用梯度测量可以去掉一些共模噪声提升磁力仪的灵敏度。2017 年，北大的高家红团队完成了一款基于铯原子的 SERF 的原子磁力仪[24]，铯原子达到 SERF 状态所需要的加热温度比钾原子或铷原子低得多，能够降低加热系统以及保温系统的设计难度，同时减少加热带来的热电流噪声。他们的磁力仪在 10Hz-30Hz 频率范围内的灵敏度约为 10fT/ Hz ，这与基于 K 或 Rb 的无自旋交换弛豫的原子磁力仪灵敏度相当。
【参考文献】：
期刊论文
[1]2014-2018年癫痫脑电研究文献计量分析[J]. 龚旭辉,冯广,周瀚章,徐启东,曾虎. 工业控制计算机. 2019(02)
[2]A laser pump-re-pump atomic magnetometer[J]. 杨爱林,杨国卿,蔡勋明,徐云飞,林强. Chinese Physics B. 2013(12)
[3]脑磁图研究进展[J]. 胡洁,胡净,黄定君. 生物医学工程与临床. 2003(03)
博士论文
[1]原子磁力仪的研究[D]. 李曙光.浙江大学 2009
本文编号：3305199
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种磁信号的强度
由于液氦消耗，商用多通道 SQUID 脑磁系统的运行成本每年会超过数十万美元。如此高的运行成本也限制了 MEG 的研究与发展。图1-3 SQUID磁力仪装置图[17]Figure 1-3. Experiment setup of the SQUID magnetometer1.2.2 SERF 磁力仪原子磁力仪的灵敏度受横向自旋弛豫时间的限制，其中最主要的自旋弛豫过程就是由自旋极化的原子之间相互碰撞引起的自旋交换弛豫。在 1973 年 Happer教授发现了在外磁场非常低的情况下(约 nT)，单个原子的自由拉莫尔进动频率将远小于原子间的自旋交换频率，因此尽管自旋交换碰撞是个去相干的过程，但是在远小于一个自由进动周期的时间段内，大量的碰撞使得每个原子能够按照统计学分布达到布居几率的热平衡，这样总的原子自旋反倒以一个非常稳定的频率进动，从而彻底消除了自旋交换弛豫。目前 SERF 磁力仪的灵敏度几乎可以超过SQUID 磁力仪成为最灵敏的磁传感器，其灵敏度可以低于 1fT/ Hz[18]。更重要的是
D2 线为探测光，并利用该磁力仪记录了由正中神经和听觉刺激引起的脑磁信号。2015 年，Kamada 团队开发了一种只有泵浦光的 SERF 磁力仪[22]。其灵敏度在 10Hz 时达到了 21fT/ Hz ，足以测量人体的脑磁图。利用该磁力仪，他们探测了眼睛睁闭眼相关的阿尔法波段的脑磁差异证明了该磁力仪系统测量脑磁的可行性。2016 年，Schwindt 团队于 2016 年开发了一种 4 通道的 SERF 磁力仪[23]，其灵敏度在高于 10Hz 时达到了 5fT/ Hz 。在文献中，他们利用一种特殊的被动衍射光学元件（DOE），在一个气室内实现了梯度测量，利用梯度测量可以去掉一些共模噪声提升磁力仪的灵敏度。2017 年，北大的高家红团队完成了一款基于铯原子的 SERF 的原子磁力仪[24]，铯原子达到 SERF 状态所需要的加热温度比钾原子或铷原子低得多，能够降低加热系统以及保温系统的设计难度，同时减少加热带来的热电流噪声。他们的磁力仪在 10Hz-30Hz 频率范围内的灵敏度约为 10fT/ Hz ，这与基于 K 或 Rb 的无自旋交换弛豫的原子磁力仪灵敏度相当。
【参考文献】：
期刊论文
[1]2014-2018年癫痫脑电研究文献计量分析[J]. 龚旭辉,冯广,周瀚章,徐启东,曾虎. 工业控制计算机. 2019(02)
[2]A laser pump-re-pump atomic magnetometer[J]. 杨爱林,杨国卿,蔡勋明,徐云飞,林强. Chinese Physics B. 2013(12)
[3]脑磁图研究进展[J]. 胡洁,胡净,黄定君. 生物医学工程与临床. 2003(03)
博士论文
[1]原子磁力仪的研究[D]. 李曙光.浙江大学 2009
本文编号：3305199
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