器系统通常可以达到约4开尔文 的稳定工作温度。
[0037] 在一些情况下，冷却系统120使用氦气流（或栗浦氦）低温恒温器来维持共振器 和腔系统112的期望工作温度T。。一些商用氦气流（或栗浦氦）低温恒温器可以达到1. 5 开尔文的稳定工作温度。在这种情况下，共振器和腔系统112可以安装在低温恒温器内部， 并且可以经由共振器和腔系统112的表面来传递氦气流。在一些实现中，冷却系统120包 括包围共振器和腔系统112并且通过真空夹套来进行热隔离的液氦杜瓦瓶，并且阀（例如， 液氦杜瓦瓶中的机械控制的针阀）可以控制来自杜瓦瓶的氦流。该阀可以控制通向气体加 热器的口，以使得液氦汽化并且流向共振器和腔系统112。还可以从外部来控制阀和加热器 以提供期望温度调节。
[0038] 一些示例氦气流低温恒温器可以通过降低低温恒温器中的氦气的蒸气压来达到1 开尔文的工作温度。这可以通过对容器内部的小容器（称为"1-K罐"）中的氦进行抽吸以 降低蒸汽压由此降低液氦的沸点（例如，从4. 2开尔文降至1开尔文）来实现。一些系统 例如可以使用（通常比氦-4同位素更昂贵的）氦-3同位素来进一步进行冷却并且达到毫 开尔文温度。可以将氦-3抽吸至低得多的蒸气压，由此使沸点低至200毫开尔文。可以使 用闭环系统来避免泄漏并且保存氦-3材料。
[0039] 在一些情况下，冷却系统120使用稀释制冷机系统来维持共振器和腔系统112的 期望工作温度Τε。稀释制冷机系统通常使用与上述的氦气流低温恒温器类似的氦-3循环 系统。稀释制冷系统可以在氦-3进入1-Κ罐之前对氦-3进行预冷却，以提供低至2毫开 尔文的工作温度。
[0040] 图1Α所示的磁共振系统100可以使样本110中的自旋系综极化。例如，磁共振系 统100可以将自旋系综冷却或映射至热平衡状态或者至其它状态（即，可以比热平衡状态 更极化或更不极化的不同于热平衡状态的状态）。在一些情况下，基于腔的冷却技术在至少 部分地由共振器和腔系统112的温度（Τε)所确定的程度上使自旋系综极化。
[0041] 在所示的示例中，样本110中的自旋108独立地与主磁系统102以及共振器和腔 系统112相互作用。主磁系统102使自旋状态量子化并且设置自旋系综的拉莫频率（Larmor frequency)。例如可以通过共振器所生成的射频磁场来实现自旋磁化的旋转。尽管自旋弱 耦合至环境，但腔良好地耦合至环境（例如，冷却系统120)，以使得腔达到热平衡所用的时 间比自旋达到热平衡所用的时间要短得多。共振器可以驱动自旋系综中的拉比振荡（Rabi oscillation)以使得拉比振荡親合至腔，并且自旋系统的狄克态（Dickestate)和其它角 动量子空间与腔达到热平衡。
[0042] 可以以腔共振和自旋共振的形式来说明共振器和腔系统112。自旋共振相对于腔 共振偏移了拉比频率。拉比频率（即，拉比振荡的频率）可以是以自旋共振频率所施加的 驱动场的功率的函数。拉比频率可以被配置为将自旋耦合至腔模式。例如，可以设置驱动 场的功率，以使得拉比频率大致等于腔共振和自旋共振之间的差。在一些情况下，可以将系 统建模为经由塔维斯-卡明斯（Tavis-Cummings)的哈密尔顿量（Hamiltonian)而親合至 腔模式的自旋系综的狄克态和角动量子空间（即，狄克态和角动量子空间）的集合。
[0043] 具有低模体积和高品质因数的腔可以针对自旋系综产生强自旋-腔耦合。在一些 示例中，狄克态和腔之间的光子交换速率与
（自旋系综中自旋数量）和g(针对单个自 旋的自旋-腔耦合强度）成比例。在一些示例中，自旋-腔耦合强度与模体积的平方根成 反比并且与导纳（即，腔的品质因数）的平方根成正比。
[0044] 在一些实现中，对腔进行有效且快速的冷却，并且腔的热容量与自旋的热容量相 比较大。在一些示例中，自旋-腔相互作用所产生的极化速率可以显著快于热?\弛豫过 程。在一些情况下，自旋-腔相互作用所产生的极化速率快于包括自发辐射、受激辐射或热 !\弛豫等的影响自旋系综的任何内部弛豫过程。例如，作为低模体积和高品质因数的腔、 有效的腔冷却、有效的自旋-腔耦合、角动量子空间的混合、或它们的组合以及其它特征的 结果，自旋系综可以朝基态快速冷却。例如可以通过重复腔冷却处理并且使用诸如偶极耦 合（Dipolarcoupling)、自然^弛豫和外部梯度场等的相互作用来实现角动量子空间的混 合。在一些方面，这可以提供?\弛豫过程的有效的"短路"。例如，在一些示例中可以使用 图1C所示的技术来实现更快的自旋极化。在一些情况下，作为（与更高的样本温度相比） 更低的腔温度的结果，自旋系综还达到了超过热平衡极化的极化。因此，在一些情况下，腔 可以以比热?\弛豫过程更快的速率来提高极化，并且腔可以产生比热Ti弛豫过程所产生的 极化更高程度的极化。
[0045] 图1C是示出用于提高自旋系综的极化的示例处理195的流程图。该示例处理195 例如可以在图1A所示的示例磁共振系统100中或者在其它类型的系统中进行。图1C所示 的示例处理195可以包括附加的或不同的操作。在一些情况下，可以将个别操作分割成多 个子操作，或者将两个以上操作合并或作为单个操作来同时进行。此外，例如可以对操作中 的一些或全部进行迭代或重复，直至实现期望的状态或极化为止，或者直至达到终止条件 为止。
[0046] 如图1C所示，在196中，将自旋系综的角动量子空间映射至低能态。例如，可以将 一个或多个角动量子空间冷却至它们各自的最低态。在一些情况下，腔和自旋系综之间的 相干相互作用可以驱动各个角动量子空间至其最低能态。例如可以通过向自旋系综施加驱 动场来生成映射。在197中，将角动量子空间相连接。可以使用一个或多个不同的技术来 连接角动量子空间。在一些示例中，利用对整个空间的不同子空间进行混合的处理来连接 角动量子空间。例如，可以使用自旋之间的偶极相互作用、横向（T2)弛豫、外部梯度场、类似 的外部或内部失相相互作用或者上述中的一个或多个的组合来连接角动量子空间。在198 中，获得更高度极化的状态。也就是说，自旋系综的状态可以比（在196中）将自旋系综的 角动量子空间分别冷却至其最低态并且（在197中）进行连接之前更高度极化。例如可以 对操作（196和197)进行一次或多次迭代，直到达到期望极化或其它条件为止。
[0047] 在一些实现中，（196之前的）自旋系综的初始状态比自旋系综的热平衡状态具有 更少的极化。例如，自旋系综的初始状态可以是具有很少极化或没有极化的高度混合态。各 次迭代所产生的状态的极化可以高于初始状态的极化。在一些示例中，极化在各次迭代之 后有所提高。例如，可以重复操作（196和197)，直到自旋系综达到热平衡极化或其它指定 极化水平（例如，要施加至自旋系综的磁共振序列所用的输入极化）为止。
[0048] 在一些实现中，可以根据需要来使用处理195以使自旋系综极化。例如，在样本位 于磁共振系统中的情况下处理195可以在任何时间开始。在一些情况下，在成像扫描之间 或在信号获取之间对自旋系综进行极化。通常，在处理195开始时，自旋系综可以处于任意 状态（例如，任何完全混合或部分混合态）。在一些情况下，通过将拉比场（Rabifield)施 加指定量的时间来例如在脉冲序列、波谱或成像处理、或者其它处理中的指定时刻根据需 要开始处理195。
[0049] 在图1A所示的示例中，自旋系综可以是具有非零自旋的与所施加的磁共振系统 100的场发生磁性相互作用的粒子的任意集合。例如，自旋系综可以包括核自旋、电子自旋 或者核自旋和电子自旋的组合。核自旋的示例包括氢核（?)和碳-13核（ 13C)等。在一些 示例中，自旋系综是相同的自旋-1/2粒子的集合。
[0050] 示例主磁系统102生成图1A中所标记的静态均匀磁场，并且在此被称为B。场104。 图1A所示的示例主磁系统102可以作为超导螺线管、电磁体、永磁体或其它类型的生成静 磁场的磁体来实现。在图1A中，示例B。场104在整个样本110体中是均匀的并且沿着轴 对称参照系106的z方向（在此还被称为"轴方向"）进行取向。
[0051] 在一些实例中，梯度系统140生成一个或多个梯度场。这些梯度场是在整个样本 体中发生空间变化的磁场。在一些情况下，梯度系统140包括可以生成沿样本110的不同 空间维度发生变化的梯度场的多个独立梯度线圈。例如，梯度系统140可以生成沿z轴、y 轴、X轴或其它轴发生线性变化的梯度场。在一些情况下，梯度系统140在时间上改变梯度 场。例如，控制系统118可以根据成像算法或脉冲程序来控制梯度系统140产生随时间和 空间而变化的梯度场。
[0052] 在图1A所示的示例系统中，自旋108和主磁系统102之间的相互作用包括塞曼哈 密尔顿量（ZeemanHamiltonian)H=-y·Β，其中μ表示自旋的磁矩并且B表示磁场。对 于自旋-1/2粒子，存在两种状态：自旋与Β。场104对准的状态和自旋与Β。场104反向对 准的状态。在Β。场104的取向是沿ζ轴的情况下，可以将塞曼哈密尔顿量写为Η= -μΖΒ。。 在量子力学上，μζ=γσζ，其中γ是自旋旋磁比，并且σζ是具有角动量本征态|m>JP 特征值m±1/2反（其中&是普朗克（Planck)常数）的ζ方向自旋角动量算子。因子ωs=γB。是自旋共振频率，也被称为拉莫频率。
[0053]在图1A所示的示例中，与B。场104对准或反向对准的系综的个体成员的热分布 由麦克斯韦-玻耳兹曼统计（Maxwell-Boltzmannstatistics)所支配，并且针对热平衡状 态的密度矩阵由下式给出：
[0055]其中，分母Z是配分函数，并且Η是自旋系综的哈密尔顿量。配分函数可以表示为z=SeH/kT，其中求和遍及所有可能的自旋系综配置。常数k是玻耳兹曼因子并且Τ是周 围温度。如此，根据以上等式，可以通过样本环境（包括磁场强度和样本温度）来至少部分 地确定自旋系综的热平衡状态（以及相关联的热平衡极化）。例如可以根据表示自旋系综 的状态的密度矩阵来计算自旋系综的极化。在一些示例中，可以按照如下方式将z方向上 的自旋极化作为z方向上的磁化的期望值仏来计算：
[0057]
是总自旋系综的z-角动量并且Ns是系综自旋大小。
[0058] 在自旋系综与其环境发生了热化之后，使得从热平衡偏离的任何激励自然将花费 时间（以热弛豫速率!\为特征）来热化。热弛豫过程使自旋系综以与1/1\成比例的指数 速率从非热态向热平衡状态演变。许多磁共振应用操纵自旋并且获取自旋所生成的感应信 号。通常使用信号平均来提高信噪比（SNR)。然而，热弛豫过程花费时间，并且热弛豫过程 所产生的极化受到样本环境（包括样本的热温度和主磁场强度）的限制。在图1A所示的 示例中，可以（例如，在图1C所示的示例处理195中，或以其它方式）使用共振器和腔系统 112来将自旋系综映射至比热平衡状态更极化的状态，并且在一些情况下，共振器和腔系统 112比热弛豫过程更快地提高自旋系综的极化。
[0059] 在一些示例中，共振器和腔系统112可以包括控制自旋系综的共振器组件以及对 自旋系综进行冷却的腔组件。共振器和腔可以作为单独的结构来实现，或者可以使用集成 型共振器/腔系统。在一些实现中，将共振器调谐至样本110中的自旋108中的一个或多 个的共振频率。例如，共振器可以是射频共振器、微波共振器或其它类型的共振器。
[0060] 共振器和腔系统112是多模共振系统的示例。在一些示例中，多模共振系统具有 一个或多个驱动频率、一个或多个腔模式和其它可能的共振频率或模式。可以将驱动频率 调谐至由B。场104的强度和自旋108的磁旋比所确定的自旋的共振频率；腔模式可以相对 于驱动频率发生偏移。在一些多模共振系统中，驱动频率和腔模式由单个集成型结构来提 供。集成型多模共振结构的示例包括双环共振器、鸟笼型共振器和其它类型的结构。在一 些多模共振系统中，驱动频率和