使用热绝缘的腔使自旋系综极化的制作方法
【专利说明】使用热绝缘的腔使自旋系综极化
[0001] 优先权要求
[0002] 本申请要求2013年5月3日提交的美国临时专利申请61/819, 103的优先权，其 全部内容通过引用包含于此。
【背景技术】
[0003] 本发明涉及使用腔来提高热分离自旋系综的极化。
[0004] 在磁共振系统中，信噪比（SNR) -般依赖于自旋极化和与环境达到热平衡所需 的时间。达到热平衡所需的时间（以能量弛豫时间（energyrelaxationtime)?\为特 征）通常例如在低温下变长。用于从量子系统去除熵（entropy)的传统技术包括动态核 极化（dynamicnuclearpolarization，DNP)、算法冷去 |3(algorithmiccooling)、光栗浦 (opticalpumping)、激光冷却和微波冷却等等。
[0005] 已经使用了各种方式来提高磁共振应用中的信噪比（SNR)。例如，通常使用经过多 次获取的信号平均来提高SNR。另一方式例如是通过将多个感应线圈重叠并且使用相控阵 列技术来提高感应探测器的灵敏度。在一些系统中，将感应探测器嵌入在冷冻剂中来降低 感应探测器内的固有噪声。
【发明内容】
[0006] 在一些方面，使用基于腔的冷却技术来提高自旋系综（spinensemble)的极化。共 振器向静磁场中的样本中的自旋系综施加驱动场。该驱动场使自旋系综与腔耦合，并且该 耦合提高自旋系综的极化。在一些情况下，例如将样本与腔进行热绝缘以将样本维持在比 腔高的温度。
[0007] 在一些实现中，相互作用可以比影响自旋系综的相干热过程（例如，热自旋-晶格 弛豫和自发辐射等）更快地提高自旋系综的极化。在一些实现中，自旋系综实现比热平衡 极化高的极化。在一些情况下，提高自旋系综的极化可以获得改善的SNR或其它优势。
[0008] 将在以下附图和说明书中说明一个或多个实现的细节。根据说明书和附图、以及 根据权利要求书，其它特征、目的和优势将是明显的。
【附图说明】
[0009] 图1A是示例磁共振系统的示意图。
[0010] 图1B是示例控制系统的示意图。
[0011] 图1C是用于提高自旋系综的极化的示例技术的流程图。
[0012] 图2是示出示例磁共振系统中的自旋共振频率、腔共振频率和拉比频率的图。
[0013] 图3示出针对耦合至两级腔的自旋的两个示例能级图。
[0014] 图4是示出针对示例腔冷却自旋系综的狄克（Dicke)子空间的归一化期望 值-<JX (t) >/J的模拟演变的图。
[0015] 图5是耦合至两级腔的示例自旋系统的能级图。
[0016] 图6是示例3-自旋希尔伯特（Hilbert)空间的图。
[0017] 图7是示出针对示例自旋系综所计算出的有效冷却时间的图。
[0018] 图8A是示出示例的基于腔的冷却过程中的熵流的示意图。
[0019] 图8B是示出图8A所示的速率rsc和ΓCF的示例值的图。
[0020] 图9是示例磁共振成像系统的示意图。
[0021 ] 各图中的相似附图标记表示相似要素。
【具体实施方式】
[0022] 在此，说明例如可以用于通过使自旋系综快速极化来提高磁共振系统中的信噪比 (SNR)的技术。可以使用所说明的技术来实现包括以下应用的各种背景中的这些和其它优 势：核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR)波谱法、电子自旋共振（electronspin resonance，ESR)波谱法、核四极共振（nuclearquadrupoleresonance，NQR)波谱法、磁共 振成像（magneticresonanceimaging，MRI)、量子技术和装置以及其它应用。
[0023] 说明应用于磁共振环境中的系综自旋系统的基于腔的冷却技术。在一些实现中， 使用具有低模体积和高品质因数的腔，来在与腔参数相关的时间量度上将系综自旋系统的 所有耦合角动量子空间主动驱动至纯度与腔的纯度相等的状态。在一些示例中，通过将基 于腔的冷却与角动量子空间的混合进行交替，自旋系综将会在可以显著短于自旋的特征热 弛豫时间0\)的时间量度内接近腔的纯度。在一些情况下，可以以相比热弛豫速率 更快的有效极化速率（I/%,#)来与热自旋-晶格弛豫过程类似地对基于腔的冷却过程期 间自旋系综的极化随时间经过的提高进行建模。
[0024] 在一些情况下，可以使用这里所述的基于腔的冷却技术来提高磁共振应用中的信 噪比（SNR)。例如，基于腔的冷却技术可以通过提高磁共振样本的极化来改善SNR。例如可 以在自旋所生成的感应信号通常较弱的磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI) 应用和液态磁共振应用中使用该SNR增强。还可以在其它应用中进行极化提高和相应的 SNR改善。
[0025] 因此，可以使用腔来从自旋系综去除热量（降低自旋温度）或者向自旋系综添加 热量（提高自旋温度），由此提高自旋极化。对自旋系综进行加热，这可以产生可能与负自 旋温度相对应的反向极化。
[0026] 图1A是示例磁共振系统100的示意图。图1A所示的示例磁共振系统100包括： 主磁系统102、冷却系统120、共振器和腔系统112、包含自旋108的样本110、控制系统118、 温度控制系统130和梯度系统140。磁共振系统可以包括附加的或不同的特征，并且可以以 如图1A所示的方式或以其它方式来配置磁共振系统的组件。
[0027] 在图1A所示的示例中，将样本110维持在样本温度（Ts)。在一些实现中，样本温 度（Ts)是周围温度。温度控制系统130可以进行将样本110维持在特定温度的热调节。通 常，样本110可以保持在任何热温度。在一些示例中，样本110是液体材料或液晶材料，并 且样本温度（Ts)被保持在适当水平以维持样本110处于液态。在一些示例中，样本110是 活体成像对象（例如，人类或其它类型的活体对象），并且样本温度（Ts)被保持在适当水平 以针对成像对象维持期望环境。温度控制系统130可以使用主动或被动温度控制技术。例 如，温度控制系统130可以使用与样本110有关的受控气流、与样本110有关的加热或冷却 元件、与样本110有关的绝热元件或者这些和其它特征的组合来控制样本110的温度。
[0028] 在一些实现中，温度控制系统130包括样本温度控制器（sampletemperature controller，STC)单元。STC单元可以包括积极监测样本110的温度并且应用温度调节的 温度调节器系统。例如可以使用热电偶以感测样本温度来监测样本110的温度。所监测到 的温度信息例如可以与反馈系统一起使用来调节样本温度，由此将样本温度保持为指定的 恒定值。在一些情况下，反馈系统可以通过空气供给系统来调整供给至样本环境的热空气 或冷空气。例如，空气供给系统可以包括响应于反馈系统所提供的控制数据而将加热后或 冷却后的空气通入样本环境的风扇。
[0029] 如以下更详细地说明，可以使用示例共振器和腔系统112来控制自旋系综。在一 些情况下，腔和共振器系统112通过对自旋系综进行加热或冷却来提高自旋系综的极化。
[0030] 冷却系统120针对共振器和腔系统112提供热环境。在一些情况下，冷却系统 120可以从腔吸热以维持腔的低温。在图1A所示的示例中，冷却系统120与共振器和腔系 统112热接触。在一些情况下，冷却系统120将共振器和腔系统112维持在液氦温度（例 如，约4开尔文）、液氮温度（例如，约77开尔文）或其它冷冻温度（例如，小于100开尔 文）。在一些情况下，冷却系统120将共振器和腔系统112维持在脉管制冷机（pulsed-tube refrigerator)温度（例如，5~11开尔文）、栗氦低温恒温器（pumpedheliumcryostat) 温度（例如，1. 5开尔文）、氦-3制冷器（helium-3fridge)温度（例如，300毫开尔文）、稀 释制冷机（dilutionrefrigerator)温度（例如，15毫开尔文）或其它温度。在一些实现 中，保持共振器和腔系统112的温度（Τε)处于或低于10开尔文或100开尔文，而保持样本 110的温度高于样本中的材料的熔化温度（例如，对于基于水的样本为高于273开尔文的温 度）。
[0031] 在一些情况下，共振器和腔是作为两个单独的结构来实现的，并且将两者保持在 相同的冷冻温度。在一些情况下，共振器和腔是作为两个单独的结构来实现的，并且将腔保 持在冷冻温度而将共振器保持在更高的温度。在一些情况下，将集成型共振器/腔系统保 持在冷冻温度。通常，可以使用各种冷却系统，并且冷却系统120的特征可以适用于期望工 作温度Τε、适用于共振器和腔系统112的参数或者适用于磁共振系统100的其它方面。
[0032] 在一些情况下，磁共振系统100包括一个或多个热阻隔件，其中这些热阻隔件利 用更冷的系统组件（例如，冷却系统120的组件、共振器和腔系统112的组件、等等）来将样 本110与热相互作用进行热绝缘。例如，热阻隔件可以防止样本110和冷却系统120之间 的直接接触，并且热阻隔件可以用于减少样本110和冷却系统120之间的间接热传递。例 如，温度控制系统130可以包括用以隔绝样本110以免与冷却系统120发生热相互作用的 绝缘体。在一些实现中，样本110可以被具有低磁化率的或者适用于磁共振应用的热绝缘 体材料包围（例如，部分或全部包围）。例如，可以使用聚酰胺基塑料材料（例如，DUPONT? 制造的VESPEL? )作为样本110和更冷的系统组件（例如，冷却系统120、共振器和腔系 统112、等等）之间的热阻隔件。
[0033] 通常，可以使用各种冷却系统，并且冷却系统120的特征可以针对共振器和腔系 统112的参数或者针对磁共振系统100的其它方面来修正期望工作温度Τε。在图1A所示 的示例中，冷却系统120包围共振器和腔系统112并且维持共振器和腔系统120的温度Tc 低于样本110的温度Ts。
[0034] 在一些实现中，共振器和腔系统112以期望工作温度Tc，S卩，室温（约300K)~液 氦温度（约4K)的范围来工作，并且冷却系统120使用液体流低温恒温器来维持期望工作 温度Te。冷却系统120可以包括真空低温恒温器（evacuatedcryostat)，并且共振器和腔 系统112可以安装在低温恒温器内部的冷板上。共振器和腔系统112可以被安装成与低温 恒温器热接触，并且被热辐射罩包围。冷却系统120可以通过输送线连接至液体冷冻剂源 (例如，液氮或液氦杜瓦瓶（Dewar))，其中可以将液体冷冻剂经由输送线连续输送至冷头。 流动速率和所使用的液体冷冻剂可以控制工作温度。可以经由排气口来排出气体。
[0035] 在一些情况下，冷却系统120使用闭环系统（例如，商用Gifford-McMahon脉管冷 冻机）来维持共振器和腔系统112的期望工作温度Τε。在一些示例中，闭环系统或脉管系 统可以避免需要连续输送昂贵的液体冷冻剂。在一些闭环制冷机中，低温恒温器具有两级： 第一级（例如范围为40~80Κ)用作第二级所用的热绝缘体，并且第二级包住冷头以及共 振器和腔系统112。一些示例闭环系统可以达到10开尔文的稳定工作温度。
[0036] 在一些情况下，冷却系统120使用液氦低温恒温器来维持共振器和腔系统112的 期望工作温度Tc。在一些应用中，液氦低温恒温器可以不太复杂并且更加稳定。在使用液 氦低温恒温器的情况下，可以将共振器和腔系统112浸在（例如，完全或部分地浸在）液氦 中。该系统可以具有包含液氮的外部杜瓦瓶和包含液氦的内部杜瓦瓶，并且可以通过真空 夹套或其它热绝缘体使这两个杜瓦瓶分开。液氦低温恒温