微型SERF型磁强计、其使用方法和应用与流程

本发明属于磁源成像领域，具体涉及一种微型serf型磁强计，及其使用方法和应用。

背景技术：

目前在脑磁图成像领域主要基于超导量子干涉仪(squids)来对脑磁信号进行记录和成像。目前商业应用最为成熟的技术方案中，典型的基于超导量子干涉仪(squids)的脑磁仪需要近300个传感器，以及一系参考传感器对噪声进行消除，同时整个装置需要冷却至4.2k，每个通道单独记录，最终将所有通道的进行记录成像。主要存在以下问题：

一、传感器与脑部距离过远，而磁偶极矩信号随着距离呈三次方衰减，其磁偶极矩一阶信号、二阶信号依次随距离呈四次方、五次方的衰减，导致脑磁信噪比不高。

二、装置需要制冷至4.2k，需要昂贵的制冷设备。导致其不仅设备成本过高，而且日常维护成本也不低。

脑磁图的测量对临床医学有着重大的意义，此发明的目的就是为了将脑磁图能广泛应用于临床。但超导量子干涉仪(squids)存在如下缺点和不足：一、在脑磁测量中传感器与大脑距离过远。二，因需维持设备在超导条件下工作，需要复杂庞大的低温系统。

针对上述问题，本发明的目的在于如何制作满足脑磁图要求的微型serf型原子磁强计。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种微型serf型磁强计，及其使用方法和应用。

在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“serf”是指：spin-exchangerelaxationfreeregime，无自旋交换驰豫。

术语“淬灭气体”是指：带有很多振转能级的双原子分子气体。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种微型serf型磁强计，所述磁强计包括：光路部分，原子气室部分和光电传感器信号采集部分；优选地，所述原子气室为碱金属原子气室；更优选地，所述原子气室为钾原子气室。

根据本发明第一方面的微型serf型磁强计，其所述光路部分包括：激光器，保偏光纤，光纤耦合器，准直透镜，格兰·泰勒棱镜，折返棱镜和四分之一波片，其中，所述格兰·泰勒棱镜可替换为偏振分束棱镜。

优选地，所述原子气室部分采用高硼硅玻璃制作，气室内冲入一定大气压的淬灭气体；所述淬灭气体优选为双原子分子气体，更优选为氮气、氢气、氧气、氟气，最优选为氮气；和/或

所述淬灭气体的压强为0.01～10atm，优选为0.04～5atm，更优选为0.08～2atm，最优选为1atm。

更优选地，气室内还冲入缓冲气体，优选地：

所述缓冲气体为惰性气体，优选为以下一种或多种：氦气(he)、氖气(ne)、氩气(ar)、氪气(kr)、氙气(xe)，最优选为氦气；和/或

所述缓冲气体和淬灭气体的配比为0.1～300：1，优选为0.1～100：1，更优选为0.1～10：1，最优选为0.39:1。

进一步优选地，所述光纤耦合器、所述准直透镜、所述格兰·泰勒棱镜或偏振分束棱镜、所述折返棱镜、所述四分之一波片、所述原子气室和所述光电传感器共同设置于探头部分。

本发明的第二方面提供了第一方面所述的微型serf型磁强计的使用方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将激光器打开调节光纤耦合效率，对初始光强进行调节；

(2)打开加热系统；

(3)打开调制磁场；

(4)将待测磁场加入观察信号变化；

(5)将待测磁场产生的信号进入锁相放大器中进行解调处理和记录；

优选地，所述步骤(2)中，将所述加热系统加热至粒子数浓度在10¹²～10¹⁵cm^-3范围内；最优选地，将所述加热系统升温至粒子数浓度为10¹³～10¹⁴cm^-3之间。

本发明的第三方面提供了第一方面所述的微型serf型磁强计在制备脑磁图测量设备中的应用。

本发明第四方面提供了一种脑磁图测量设备，所述设备包括：本发明第一方面所述的微型serf型磁强计。

本发明第五方面提供了本发明第一方面所述的微型serf型磁强计在制备弱磁物质的探测和标定设备中的应用。

典型的脑磁强度在50ft左右。基于目前实现的基于serf超高灵敏度磁强计能够实现ft*hz^-1/2的灵敏度足以满足脑磁图的需求：使用微型serf型磁强计能够显著拉近探头与脑部之间的距离对提高信噪比有显著作用；此磁强计不需工作在4.2k低温环境下，只需工作在140～200摄氏度下便可，这样便不需高昂的制冷设备，有利于降低了设备成本，同时日常维护消耗极低。

本发明的微型serf型磁强计可以具有但不限于以下有益效果：

1、通过采用微型serf磁强计来对脑磁图进行采集，能够明显减小探测器与大脑间间距提高脑磁图的信噪比，相对现有squids制成的脑磁图有更高的灵敏度和信噪比以及空间分辨率。

2、同时本方案因不需要昂贵的制冷设备，则导致整个设备成本大大降低；最终实现低成本，无侵入式对脑磁图进行测绘用于临床医学的研究。

3、应用于脑磁图测绘中，具有广阔的应用前景有取代现有squids脑磁仪的趋势；同时微型serf磁强计也可用于对弱磁物质的探测和标定。

4、基于serf的超高灵敏度磁强计将取代现有依靠squids进行脑磁图测量，能够为临床脑磁图的广泛使用起到积极的推动。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明提供的微型serf磁强计整体结构示意图。

图2示出了本发明提供的微型serf磁强计设计细节示意图。

图3示出了本发明提供的微型serf磁强计对弱磁场的测定结果图。

附图标记说明：

1、光纤耦合器底座；2、通光孔径；3、准直透镜安装槽；4、格兰·泰勒棱镜或偏振分束棱镜安装槽；5、折返棱镜安装槽；6、四分之一波片安装槽；7、调制线圈安装槽；8、保温隔热槽；9、气室安装槽；10、光电探测器安装槽；11、激光器；12、保偏光纤；13、光纤耦合器；14、准直透镜；15、光路；16、格兰·泰勒棱镜或偏振分束棱镜；17、折返棱镜,；18、四分之一波片；19、原子气室；20、光电探测器；21、探头；22、导线；23、锁相放大器。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的试剂和仪器如下：材料：

保偏光纤，购自thorlabsinc.，型号：pm630-hp(panda)；

光纤耦合器，自制；

准直透镜，购自大恒新纪元科技有限公司，型号：gcl-011652；

格兰·泰勒棱镜，购自曲阜师范大学激光研究所，型号：lgp-4；

折返棱镜，购自武汉优光科技有限责任公司，型号：rap0110。

仪器：

激光器，购自北京优立光态科技有限公司、型号：ecl801-d；

光电传感器，自制。

实施例1

本实施例用于说明本发明微型serf型磁强计整体结构。

整个系统包含三个部分：光路部分和原子气室部分和光电传感器信号采集部分。

一、光路部分：激光器(11)用于产生实验所需的激光，采用保偏光纤(12)将激光器(11)产生的激光引入到探头中，激光穿过通光孔径(2)在探头中传播，固定于光纤耦合器底座(1)上的光纤耦合器(13)用于固定光纤，固定于准直透镜安装槽(3)上的准直透镜(14)将出射后的激光进行准直和光斑大小调节，光路(15)中固定于格兰·泰勒棱镜或偏振分束棱镜安装槽(4)上的格兰·泰勒棱镜或偏振分束棱镜(16)将激光进行偏振优化，固定于折返棱镜安装槽(5)上的折返棱镜(17)将激光光路进行90度变化，经过固定于四分之一波片安装槽(6)上的四分之一波片(18)后将线偏光转变为所需的圆偏光。

二、原子气室部分：固定于气室安装槽(9)上的原子气室(19)用于检测待测磁场，采用高硼硅玻璃制作原子气室(19)，原子气室(19)内冲入一定比例的缓冲气体和淬灭气体，本实验具体参数如表所示：

表1原子气室中缓冲气体和淬灭气体的用量

此外，原子气室(19)外还具有调制线圈安装槽(7)，将调试线圈缠绕至安装槽内，用于对待测信号进行处理；以及保温隔热槽(8)，用于固定保温隔热材料，保证气室周围拥有良好的保温性能。

三、信号采集部分：使用固定于光电探测器安装槽(10)上的光电传感器(20)对投射过的原子气室的激光光强进行检测，用于记录出射光强变化。

实施例2

本实施例用于说明本发明微型serf型磁强计的使用方法。

1、将激光器(11)打开，调节光纤耦合效率，同时将出射初始光强调节至小于工作原子的饱和光强。本案例中使用钾原子，其饱和光强为1.75mw/cm²。

2、对气室进行加热改变气室温度，使原子气室内工作原子的粒子数浓度保持在10¹²～10¹⁵cm^-3范围内。

3、施加与待测磁场方向相同的磁场强度为45nt频率1.5khz的交变磁场。

4、将待测磁场加入观察信号变化。

5、将待测磁场产生的信号进入锁相放大器(23)中进行解调处理和记录。

试验例1

本试验例用于说明本发明提供的磁强计应用于弱磁场的探测。

1打开激光器(11)，对激光频率进行锁频稳频,将激光频率稳定在响应碱金属元素共振频率。

2调节保偏光纤(12)的耦合效率，达到最优化，不断调节入射光进入光纤的角度使得光纤出射光强与光纤出射光强比大于0.5。

3对原子气室(19)进行加热，加热至粒子数浓度在10¹²～10¹⁵cm^-3范围内。

4打开已知的扫描磁场，静磁场强度变化范围为正负17nt，采集经过气室的吸收信号。

5加入调制磁场，对吸收信号进行调制磁场强度为45nt频率1.5khz的交变磁场。

6将调制信号送进锁相放大器中进行解调得到所需的色散信号。

实验结果：如图3所示，试验获得色散线宽约为17nt，完全满足脑磁测量的需求。脑磁所需的色散线宽小于40nt即可(对于脑磁测量线宽越小越好)。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。