【摘要】：近年來(lái),隨著基于無(wú)自旋交換碰撞弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)超高靈敏度原子磁強(qiáng)計(jì)的快速發(fā)展,其在理論上及實(shí)驗(yàn)上均實(shí)現(xiàn)了弱磁測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)的最高磁靈敏度。鑒于其超高靈敏度和相對(duì)于超導(dǎo)量子干涉儀無(wú)需制冷設(shè)備以及可進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)制作,使其在量子傳感器領(lǐng)域尤其是弱磁探測(cè)領(lǐng)域有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。弱磁探測(cè)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探,軍事反潛,生物醫(yī)學(xué)等。尤其在腦磁測(cè)量領(lǐng)域,光泵原子磁強(qiáng)計(jì)被人們寄予厚望,有望成為下一代腦磁圖設(shè)備中取代超導(dǎo)量子干涉儀型磁強(qiáng)計(jì)的量子磁傳感器。本文從單光束SERF型原子磁強(qiáng)計(jì)原理研究開(kāi)始,確立了單光束磁場(chǎng)調(diào)制的實(shí)驗(yàn)方案。采用3D打印技術(shù)和自主開(kāi)發(fā)虛擬儀器制成了可用于腦磁探測(cè)的微型單探頭四通道原子磁強(qiáng)計(jì)。此原子磁強(qiáng)計(jì)氣室內(nèi)部大小為8 mm×8 mm×8 mm,氣室內(nèi)沖入堿金屬鉀,實(shí)現(xiàn)了梯度靈敏度小于6 f T/√Hz,整個(gè)原子磁強(qiáng)計(jì)的外部尺寸為20 mm×40 mm×190 mm。然后使用此原子磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行腦磁信號(hào)探測(cè)。因穩(wěn)態(tài)視覺(jué)刺激產(chǎn)生的腦磁信號(hào)與視覺(jué)刺激頻率有著很強(qiáng)的相關(guān)性,即視覺(jué)刺激產(chǎn)生的腦磁信號(hào)頻率是視覺(jué)刺激頻率同頻率或者諧頻率。采用30 s的測(cè)量時(shí)間,單探頭四個(gè)通道均獲得了強(qiáng)度范圍為150 f T～300 f T,信噪比為3.5～5.5的視覺(jué)腦磁信號(hào)。此信號(hào)強(qiáng)度因原子磁強(qiáng)計(jì)更易貼近頭皮而強(qiáng)于基于超導(dǎo)量子干涉儀的腦磁儀。其信噪比略低于傳統(tǒng)腦電設(shè)備,但腦電設(shè)備獲得的信噪比漲落更大。隨后針對(duì)視覺(jué)刺激的腦磁進(jìn)行探頭優(yōu)化升級(jí)有望實(shí)現(xiàn)信噪比優(yōu)于傳統(tǒng)腦電設(shè)備,同時(shí)進(jìn)行腦磁探測(cè)無(wú)需使用液體導(dǎo)電硅膠,提高了測(cè)試舒適度,縮短前期實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間以及便于進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)探測(cè)。本文研究工作為隨后將原子磁強(qiáng)計(jì)廣泛應(yīng)用于基于腦磁的腦部疾病診斷,腦認(rèn)知科學(xué)研究和腦機(jī)接口等技術(shù)打下基礎(chǔ)。
【圖文】：

得它完全可以勝任以前只能由基于 SQ場(chǎng)探測(cè)，尤其是腦磁領(lǐng)領(lǐng)域，，有望成為發(fā)展和進(jìn)步。實(shí)現(xiàn)無(wú)自旋交換弛豫的基本原理介紹圖由式 (1.8) 表示：A(↑) + B(↓) → A(↓) + B(↑) 39K 為例，處于基態(tài)鉀原子，由于自旋即 F = 1 和 F = 2。兩個(gè)超精細(xì)基態(tài)上= 1/2，因此在外磁場(chǎng)的作用下處于兩進(jìn)動(dòng)。接下來(lái)分析自旋碰撞率與拉莫先當(dāng)拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率 ωF遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自旋

圖 1.9 在自旋交換碰撞幾率遠(yuǎn)小于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，磁強(qiáng)計(jì)信號(hào)示意圖.9 Schematic diagram of the magnetometer signal when the spin exchangeis much less than the Larmor precession frequency時(shí)域和頻譜中均可獲得進(jìn)動(dòng)頻率信息，從而測(cè)得外界磁場(chǎng)強(qiáng)度。每發(fā)生一次自旋交換碰撞，相應(yīng)的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率便在正負(fù)頻因自旋交換碰撞幾率相對(duì)拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率不高，此時(shí)可以順利拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率信息，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。是隨著自旋交換碰撞幾率相當(dāng)或稍大于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，此如圖 (1.10) 所示：
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM936

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本文編號(hào)：2699057