專利名稱：利用光誘發(fā)的超極化的核磁共振磁力計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
下文涉及磁領(lǐng)域、磁力計(jì)領(lǐng)域、磁測(cè)量領(lǐng)域以及相關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁力計(jì)是一種用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的裝置。磁力計(jì)具有多種多樣的應(yīng)用，例如應(yīng)用于健康護(hù)理、工業(yè)以及實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用當(dāng)中。一些例示性的磁力計(jì)應(yīng)用包括對(duì)磁共振(MR)掃描器、同步加速器、粒子加速器以及利用磁體的其他裝置進(jìn)行磁場(chǎng)繪制；檢測(cè)地下礦石、礦物、未爆炸的地雷或海洋中的潛艇；執(zhí)行地質(zhì)學(xué)和考古學(xué)研究；在磁天文觀測(cè)臺(tái)中執(zhí)行測(cè)量；監(jiān)測(cè)心臟和大腦活動(dòng)；測(cè)量超導(dǎo)體中的通量分布；檢索存儲(chǔ)在磁介質(zhì)上的數(shù)據(jù)；引導(dǎo)磁軌道上的車輛；向?qū)Ш较到y(tǒng)提供輸入；用作接近傳感器；以及在生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品計(jì)數(shù)。 核磁共振(NMR)磁力計(jì)通常被認(rèn)為是用于執(zhí)行場(chǎng)測(cè)量的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，因?yàn)镹MR是可用的最為準(zhǔn)確的場(chǎng)測(cè)量方法。事實(shí)上，NMR磁力計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)O. Ippm的準(zhǔn)確度。另外，NMR提供對(duì)絕對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的固有測(cè)量，而其他磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)通常測(cè)量相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)并因此必需有校準(zhǔn)過(guò)程，所述校準(zhǔn)過(guò)程易于產(chǎn)生誤差并且能夠?qū)е聹y(cè)量偏差。NMR磁力計(jì)有利地利用核自旋的進(jìn)動(dòng)頻率(F)與施加的外部磁場(chǎng)(B)之間的基本關(guān)系F=yB。參數(shù)Y是旋磁比，并且是給定核素的特性。例如，1H氫原子核的旋磁比為42. 577MHZ/Telsla。在操作中，NMR磁力計(jì)通過(guò)在磁場(chǎng)內(nèi)放置少量液體樣本或其他樣本來(lái)確定未知磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)。所述樣本包括具有已知旋磁比的原子核。因此，通過(guò)測(cè)量進(jìn)動(dòng)頻率(F)和獲知旋磁比(Y )，磁場(chǎng)強(qiáng)度(B)被確定為B=F/ Y。NMR磁力計(jì)的限制是其難以測(cè)量弱磁場(chǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)越弱時(shí)，樣本尺寸(以及因此匪R磁力計(jì)的測(cè)量探頭的尺寸)變得更大。對(duì)樣本尺寸更低的限制是根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度和信噪比(SNR)要求以及實(shí)際操作考慮來(lái)設(shè)置的。對(duì)測(cè)量探頭尺寸更高的限制是由要在探頭的體積內(nèi)獲得均勻磁場(chǎng)的期望而強(qiáng)加的。在一些NMR磁力計(jì)設(shè)計(jì)中，常規(guī)NMR磁力計(jì)的這些限制通過(guò)“預(yù)極化”測(cè)量探頭樣本而得到緩解。在使用樣本測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度之前對(duì)所述樣本進(jìn)行預(yù)極化使得基本較弱的磁場(chǎng)能夠被測(cè)量到，和/或使得能夠使用基本更小的探頭。使用更小的探頭還使得測(cè)量對(duì)磁場(chǎng)不均勻性或梯度不那么敏感，使得能夠在更小的空間中進(jìn)行測(cè)量，并且使得能夠測(cè)量更高空間分辨率的場(chǎng)繪圖。一些預(yù)極化方法利用奧佛好塞效應(yīng)(Overhauser effect)。這樣的“奧佛好塞磁力計(jì)”有利地利用一種影響氫原子的現(xiàn)象。高頻射頻(RF)功率在存在弱磁場(chǎng)的情況下用于激勵(lì)少量次級(jí)液體的不成對(duì)電子，所述次級(jí)液體被加到包含氫原子的初級(jí)液體樣本中。這種激勵(lì)的電子導(dǎo)致在剩余液體中的氫原子核經(jīng)由“奧佛好塞效應(yīng)”變得被極化，參見(jiàn)例如 Aspinall 等人的 “Magnetometry for Archaeologists”(Rowman&LittlefeldPublishers, Inc, 2008)中的第47-48頁(yè)。奧佛好塞磁力計(jì)是高效節(jié)能的并且具有適于地球場(chǎng)測(cè)量的靈敏度。奧佛好塞磁力計(jì)的功耗能夠被優(yōu)化為在連續(xù)工作、產(chǎn)生介于0. InT到0. OlnT之間的靈敏度并且采樣率高達(dá)5Hz的情況下低至1W。
下文提供了新的經(jīng)改進(jìn)的設(shè)備和方法，其克服了上面提到的問(wèn)題和其他問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)公開(kāi)的方面，一種設(shè)備，包括磁力計(jì)，所述磁力計(jì)包括樣本，其包括選定核素；光源，其被配置成通過(guò)利用具有軌道角動(dòng)量的光輻射照射所述樣本來(lái)使所述樣本的選定核素超極化；射頻發(fā)生器，其被配置成在射頻的探測(cè)范圍上向所述樣本的超極化的選定核素輸入射頻能量；檢測(cè)器，其被配置成檢測(cè)所述樣本的超極化的選定核素中由所輸入的射頻能量激勵(lì)的核磁共振的頻率；以及信號(hào)輸出發(fā)生器，其被配置成基于檢測(cè)到的核磁共振的頻率來(lái)輸出指示磁場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)。根據(jù)另一公開(kāi)的方面，一種方法包括通過(guò)利用具有軌道角動(dòng)量的光輻射照射樣本來(lái)使所述樣本的選定核素超極化；生成所述樣本的超極化的選定核素的核磁共振；確定所生成的核磁共振的頻率；并基于所確定的所生成的核磁共振的頻率來(lái)輸出指示磁場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)。 一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于提高了的磁力計(jì)靈敏度。另一優(yōu)勢(shì)在于提供是探頭尺寸減小的磁力計(jì)。另一優(yōu)勢(shì)在于提高了磁力計(jì)空間分辨率。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)閱讀和理解下文的詳細(xì)描述，更多的優(yōu)勢(shì)將會(huì)顯而易見(jiàn)。


圖I概要圖示了磁力計(jì)的實(shí)施例。圖2概要圖示了由圖I的磁力計(jì)生成的選定信號(hào)。圖3概要圖示了適于在圖I的磁力計(jì)或圖5的磁力計(jì)中使用的光源的實(shí)施例。圖4概要圖示了磁力計(jì)的實(shí)施例。圖5概要圖示了由圖5的磁力計(jì)生成的選定信號(hào)。
具體實(shí)施例方式本文公開(kāi)的核磁共振(NMR)磁力計(jì)利用選定核素的超極化，該超極化是通過(guò)利用具有軌道角動(dòng)量(OAM)的光輻射照射包含選定核素的樣本而產(chǎn)生的。具有OAM的光(如在文中使用的，其涵蓋電磁輻射，電磁輻射包括例如可見(jiàn)光、紅外光或紫外光)能夠通過(guò)多種方法生成，諸如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)雙折射板、偏光鏡、透鏡、相位板、空間光調(diào)制器、相位全息等的合適配置來(lái)生成。公開(kāi)了用于生成具有OAM的光的一些合適的方法,例如Santamoto于 Fortschr. Phys. Vol. 52ηο· 11-12,第 1141-53 頁(yè)(2004)上的“Photon orbital angularmomentum:problems and perspectives，，；Elgort 等人的 WO 2009/081360A1 ;Albu 等人的WO 2009/090609A1 ;Albu等人的WO 2009/090610A1 ;在此通過(guò)引用將這些中的每個(gè)并入本文。因?yàn)榻莿?dòng)量是守恒量，分子吸收的光子的OAM被完全轉(zhuǎn)移至相互作用的分子。因此，受影響的電子狀態(tài)達(dá)到飽和自旋狀態(tài)，分子繞其自身質(zhì)心的角動(dòng)量增加并沿著入射光的傳播軸被定向，并且分子的磁子進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)也沿著入射光的傳播軸被定向。這些效應(yīng)使得可以通過(guò)利用承載自旋和OAM的光進(jìn)行照射來(lái)對(duì)液體(或者，更一般地，物質(zhì))中的原子核超極化。在光束中，存在電磁能量流，其中一個(gè)分量沿射束傳播的矢量行進(jìn)，而第二分量繞射束傳播的軸旋轉(zhuǎn)。第二分量與繞射束傳播的勢(shì)矢量的角度變化成比例。旋轉(zhuǎn)能量流與定量OAM值，本文中記為1，成比例，并且轉(zhuǎn)移至與光相互作用的分子的旋轉(zhuǎn)能量隨OAM值I的值而增加。因?yàn)榻莿?dòng)量是守恒量，當(dāng)承載自旋和OAM的光被物質(zhì)的分子吸收時(shí)，系統(tǒng)(包括輻射和物質(zhì)兩者)的總角動(dòng)量在輻射的吸收和釋放期間不變。當(dāng)光子被原子吸收時(shí)，其角動(dòng)量轉(zhuǎn)移至原子。所得到的原子的角動(dòng)量由此等于其初始角動(dòng)量加上所吸收光子的角動(dòng)量的矢量和O通常，分子包括原子核和耦合的電子，并且存在核角動(dòng)量和電子角動(dòng)量?jī)煞N類型。當(dāng)光子與分子相互作用時(shí)，電子的OAM直接耦合至光躍遷。然而，不同類型的角動(dòng)量通過(guò)多種相互作用彼此耦合，這允許從光子穿過(guò)電子軌道到核自旋、電子自旋和分子旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)藏(molecular rotation reservoirs)的流的極化。參見(jiàn) Elgort 等人的 WO 2009/081360 Al ；Albu等人的W02009/090609 Al ;Albu等人的WO 2009/090610 Al ;在此通過(guò)引用將這些中的每個(gè)并入本文。光子與分子之間的相互作用的大小與光子的OAM成比例。結(jié)果，分子旋轉(zhuǎn)值和取向發(fā)生改變以趨向沿著光的傳播方向?qū)?zhǔn)，以及趨向沿相同方向?qū)?zhǔn)分子原子核。 分子的動(dòng)量發(fā)生改變是因?yàn)榉肿拥膭?dòng)量被向著被賦予自旋和與光的OAM量成比例的OAM的光在沿著入射光的傳播軸的方向上的對(duì)準(zhǔn)而偏移。參考圖1，概要圖示了利用連續(xù)波(CW)測(cè)量方法的例示性磁力計(jì)。樣本10包括選定核素，在所述選定核素中激勵(lì)NMR以執(zhí)行磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。核素例如可以是從表I中選擇的同位素，表I列出了適于用作NMR磁力計(jì)的目標(biāo)樣本的一些原子種類。表I不是全面的，并且也可以利用在表I中未列出的其他核素。要在NMR磁力計(jì)中使用的目標(biāo)樣本的選擇受要測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度的范圍的影響。通常有利的是將NMR磁力計(jì)的運(yùn)行頻率范圍保持在相對(duì)窄的帶內(nèi)以及保持在既不太高又不太低的頻率處。例如，當(dāng)測(cè)量處在O. 04T到2T之間的場(chǎng)時(shí)，通常以水的形式使用1H原子核。當(dāng)測(cè)量處在2T和14T之間的磁場(chǎng)時(shí)，包含2H2O分子的重水形式的2H原子核是合適的。應(yīng)當(dāng)理解，樣本10包括目標(biāo)或選定核素，但任選地也可以包括其他原子、分子或物質(zhì)。例如，就包括1H原子核的水而言，樣本10也包括氧原子，氧原子為水(H2O)分子的一部分；類似地，就包括2H原子核的重水而言，樣本10通常也包括氧和相當(dāng)數(shù)量的1H原子核形式的氫原子兩者。在一些實(shí)施例中，樣本10可以包括水或另一種溶劑，包括目標(biāo)或選定核素的溶質(zhì)溶解在其中。一般而言，樣本10是液體形式，因?yàn)檫@種相態(tài)能夠提供大體上的均勻性和高的分子堆積密度；然而，樣本10也可以是固體、氣體或物質(zhì)的其他相態(tài)。如表I中所示，目標(biāo)或選定核素的選擇確定了旋磁比(Y )。表I
同位素I旋磁比(Y) tH42.576396MHz/T~
^6.535MHz/T
t3C10.71MHz/T
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括 磁力計(jì),其包括 樣本(10)，其包括選定核素， 光源(12)，其被配置成通過(guò)利用具有軌道角動(dòng)量的光輻射(14)照射所述樣本來(lái)使所述樣本的所述選定核素超極化， 射頻發(fā)生器(20、26、30、150、152)，其被配置成在射頻的探測(cè)范圍上向所述樣本的超極化的選定核素輸入射頻能量(32 )， 檢測(cè)器(20、26、40、150、154、164、166)，其被配置成檢測(cè)在所述樣本的所述超極化的選定核素中由所輸入的射頻能量激勵(lì)的核磁共振的頻率，以及 信號(hào)輸出發(fā)生器(64、66)，其被配置成基于所檢測(cè)到的核磁共振的頻率，輸出指示磁場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中 所述射頻發(fā)生器(20、26、30)被配置成在所述射頻的探測(cè)范圍上掃掠所輸入的射頻能量(32);以及 所述檢測(cè)器(20、26、40)包括共振電路(20、26)，所述共振電路(20、26)包括如下至少之一 (i )感應(yīng)器(20)，其具有作為所述感應(yīng)器的核心的所述樣本(10);以及(ii )電容器，其具有作為電介質(zhì)間隔器的所述樣本，所述檢測(cè)器被配置成基于由所述共振電路生成的信號(hào)來(lái)檢測(cè)核磁共振的所述頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中 所述射頻發(fā)生器(150、152)被配置成向所述樣本(10)的所述超極化的選定核素輸入寬帶射頻能量，其中，所述寬帶射頻能量涵蓋所述射頻的探測(cè)范圍；并且 所述檢測(cè)器(150、154、164、166)包括射頻線圈(150)和譜分析器(164、166)，所述射頻線圈(150)被配置成檢測(cè)從所述樣本發(fā)出的核磁共振，所述譜分析器(164、166)被配置成確定由所述射頻線圈檢測(cè)到的所述核磁共振的所述頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述光源(12)被配置成通過(guò)利用具有軌道角動(dòng)量和圓極化的光輻射照射所述樣本(10)來(lái)使所述樣本的所述選定核素超極化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述光源(12)被配置成通過(guò)利用具有至少1=10的軌道角動(dòng)量I的光輻射照射所述樣本(10)來(lái)使所述樣本的所述選定核素超極化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述樣本(10)包括水并且所述選定核素包括1H原子核。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述樣本(10)包括含有2H2O分子的重水并且所述選定核素包括2H原子核。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述選定核素是從包括同位素 、2H、13C、14N、19F、23Na、27Al 和 31P 的組中選擇的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備,其中，所述信號(hào)輸出發(fā)生器(64、66)包括 示出所述磁場(chǎng)強(qiáng)度的顯示裝置(66、72 )。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述樣本(10)具有大約100立方微米或更小的體積。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述樣本(10)具有大約10立方微米或更小的體積。
12.—種方法,包括 通過(guò)利用具有軌道角動(dòng)量的光輻射(14)照射樣本(10)來(lái)使所述樣本的選定核素超極化； 生成所述樣本的超極化的選定核素的核磁共振； 確定所生成的核磁共振的頻率；以及 基于所確定的所生成的核磁共振的頻率，輸出指示磁場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述生成包括向所述樣本(10)輸入射頻能量，包括在射頻的探測(cè)范圍上掃掠所輸入的射頻能量。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述生成包括向所述樣本輸入寬帶射頻能量，其中，所述寬帶射頻能量涵蓋射頻的探測(cè)范圍。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超極化包括 通過(guò)利用具有至少1=10的軌道角動(dòng)量I的光輻射照射所述樣本(10)來(lái)使所述樣本的所述選定核素超極化。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述選定核素包括1H原子核。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-15中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述選定核素包括2H原子核。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-15中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述選定核素是從包括同位素nnmi和31P的組中選擇的。
19.根據(jù)權(quán)利要求12-18中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述輸出包括 在顯示裝置(66、72)上將所述磁場(chǎng)強(qiáng)度顯示為具有磁場(chǎng)單位的數(shù)值。
20.根據(jù)權(quán)利要求12-18中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述輸出包括 在顯示裝置(66、72 )上顯示所述磁場(chǎng)強(qiáng)度。
全文摘要
一種磁力計(jì)，包括樣本(10)，其包括選定核素；光源(12)，其被配置成通過(guò)利用具有軌道角動(dòng)量的光輻射(14)照射所述樣本來(lái)使所述樣本的選定核素超極化；射頻發(fā)生器(20、26、30、150、152)，其被配置成在射頻的探測(cè)范圍上向所述樣本的超極化的選定核素輸入射頻能量(32)；檢測(cè)器(20、26、40、150、154、164、166)，其被配置成在所述樣本的超極化的選定核素中檢測(cè)由所輸入的射頻能量激勵(lì)的核磁共振的頻率；以及信號(hào)輸出發(fā)生器(64、66)，其被配置成基于檢測(cè)到的核磁共振的頻率，輸出指示磁場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)。
文檔編號(hào)G01R33/24GK102859384SQ201180019898
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者D·R·埃爾戈特, L·R·阿爾布 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司