基于無自旋交換弛豫（spin exchange relaxation free,SERF）的原子磁力儀可用于生物弱磁場(chǎng)的測(cè)量。與超導(dǎo)量子干涉（Superconducting quantum interfere device,SQUID）磁力儀相比,SERF磁力儀不僅靈敏度可與之相媲美,而且不需要低溫的運(yùn)行條件。在本文工作中,我們克服了諸多困難。由于磁力儀需要在低磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)境下工作,我們所有的光學(xué)鏡片的鏡架都通過自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無磁化。采用高頻電流加熱,防止了加熱可能帶來的噪聲。利用保溫棉實(shí)現(xiàn)了很好的保溫效果,不會(huì)由于過厚而大幅度影響探測(cè)到的大腦磁場(chǎng)強(qiáng)度。最終,我們?cè)O(shè)計(jì)了基于SERF的高靈敏度非低溫銣原子磁力儀,靈敏度在15Hz處達(dá)到了6fT/（Hz）^1/2。利用此SERF磁力儀,我們?cè)谄帘瓮矁?nèi)實(shí)現(xiàn)了人的腦磁場(chǎng)測(cè)量。為了驗(yàn)證該磁力儀的性能,我們測(cè)到了大腦皮層在睜眼-閉眼狀態(tài)下的腦磁場(chǎng)差異以及聽覺刺激誘發(fā)的腦磁場(chǎng)。對(duì)于腦磁場(chǎng)測(cè)量,需要同時(shí)對(duì)多個(gè)位置進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量。為此,我們?cè)趩瓮ǖ赖幕A(chǔ)上開發(fā)了一種基于單個(gè)較大氣室的多通道SERF磁力儀,可以同時(shí)測(cè)量垂直于頭皮的四個(gè)相鄰... 

【文章來源】：浙江工業(yè)大學(xué)浙江省

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

幾種磁信號(hào)的強(qiáng)度

由于液氦消耗，商用多通道 SQUID 腦磁系統(tǒng)的運(yùn)行成本每年會(huì)超過數(shù)十萬美元。如此高的運(yùn)行成本也限制了 MEG 的研究與發(fā)展。圖1-3 SQUID磁力儀裝置圖[17]Figure 1-3. Experiment setup of the SQUID magnetometer1.2.2 SERF 磁力儀原子磁力儀的靈敏度受橫向自旋弛豫時(shí)間的限制，其中最主要的自旋弛豫過程就是由自旋極化的原子之間相互碰撞引起的自旋交換弛豫。在 1973 年 Happer教授發(fā)現(xiàn)了在外磁場(chǎng)非常低的情況下(約 nT)，單個(gè)原子的自由拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率將遠(yuǎn)小于原子間的自旋交換頻率，因此盡管自旋交換碰撞是個(gè)去相干的過程，但是在遠(yuǎn)小于一個(gè)自由進(jìn)動(dòng)周期的時(shí)間段內(nèi)，大量的碰撞使得每個(gè)原子能夠按照統(tǒng)計(jì)學(xué)分布達(dá)到布居幾率的熱平衡，這樣總的原子自旋反倒以一個(gè)非常穩(wěn)定的頻率進(jìn)動(dòng)，從而徹底消除了自旋交換弛豫。目前 SERF 磁力儀的靈敏度幾乎可以超過SQUID 磁力儀成為最靈敏的磁傳感器，其靈敏度可以低于 1fT/ Hz[18]。更重要的是

D2 線為探測(cè)光，并利用該磁力儀記錄了由正中神經(jīng)和聽覺刺激引起的腦磁信號(hào)。2015 年，Kamada 團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種只有泵浦光的 SERF 磁力儀[22]。其靈敏度在 10Hz 時(shí)達(dá)到了 21fT/ Hz ，足以測(cè)量人體的腦磁圖。利用該磁力儀，他們探測(cè)了眼睛睜閉眼相關(guān)的阿爾法波段的腦磁差異證明了該磁力儀系統(tǒng)測(cè)量腦磁的可行性。2016 年，Schwindt 團(tuán)隊(duì)于 2016 年開發(fā)了一種 4 通道的 SERF 磁力儀[23]，其靈敏度在高于 10Hz 時(shí)達(dá)到了 5fT/ Hz 。在文獻(xiàn)中，他們利用一種特殊的被動(dòng)衍射光學(xué)元件（DOE），在一個(gè)氣室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了梯度測(cè)量，利用梯度測(cè)量可以去掉一些共模噪聲提升磁力儀的靈敏度。2017 年，北大的高家紅團(tuán)隊(duì)完成了一款基于銫原子的 SERF 的原子磁力儀[24]，銫原子達(dá)到 SERF 狀態(tài)所需要的加熱溫度比鉀原子或銣原子低得多，能夠降低加熱系統(tǒng)以及保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)減少加熱帶來的熱電流噪聲。他們的磁力儀在 10Hz-30Hz 頻率范圍內(nèi)的靈敏度約為 10fT/ Hz ，這與基于 K 或 Rb 的無自旋交換弛豫的原子磁力儀靈敏度相當(dāng)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]2014-2018年癲癇腦電研究文獻(xiàn)計(jì)量分析[J]. 龔旭輝,馮廣,周瀚章,徐啟東,曾虎.  工業(yè)控制計(jì)算機(jī). 2019(02)
[2]A laser pump-re-pump atomic magnetometer[J]. 楊愛林,楊國(guó)卿,蔡勛明,徐云飛,林強(qiáng).  Chinese Physics B. 2013(12)
[3]腦磁圖研究進(jìn)展[J]. 胡潔,胡凈,黃定君.  生物醫(yī)學(xué)工程與臨床. 2003(03)

博士論文
[1]原子磁力儀的研究[D]. 李曙光.浙江大學(xué) 2009



本文編號(hào)：3305199