专利名称：利用光诱发的超极化的核磁共振磁力计的制作方法
技术领域：
下文涉及磁领域、磁力计领域、磁测量领域以及相关领域。
背景技术：
磁力计是一种用于测量磁场强度的装置。磁力计具有多种多样的应用，例如应用于健康护理、工业以及实验室应用当中。一些例示性的磁力计应用包括对磁共振(MR)扫描器、同步加速器、粒子加速器以及利用磁体的其他装置进行磁场绘制；检测地下矿石、矿物、未爆炸的地雷或海洋中的潜艇；执行地质学和考古学研究；在磁天文观测台中执行测量；监测心脏和大脑活动；测量超导体中的通量分布；检索存储在磁介质上的数据；引导磁轨道上的车辆；向导航系统提供输入；用作接近传感器；以及在生产线上对产品计数。 核磁共振(NMR)磁力计通常被认为是用于执行场测量的“黄金标准”，因为NMR是可用的最为准确的场测量方法。事实上，NMR磁力计能够实现高达O. Ippm的准确度。另外，NMR提供对绝对磁场强度的固有测量，而其他磁场测量技术通常测量相对场强并因此必需有校准过程，所述校准过程易于产生误差并且能够导致测量偏差。NMR磁力计有利地利用核自旋的进动频率(F)与施加的外部磁场(B)之间的基本关系F=yB。参数Y是旋磁比，并且是给定核素的特性。例如，1H氢原子核的旋磁比为42. 577MHZ/Telsla。在操作中，NMR磁力计通过在磁场内放置少量液体样本或其他样本来确定未知磁场的场强。所述样本包括具有已知旋磁比的原子核。因此，通过测量进动频率(F)和获知旋磁比(Y )，磁场强度(B)被确定为B=F/ Y。NMR磁力计的限制是其难以测量弱磁场。当磁场越弱时，样本尺寸(以及因此匪R磁力计的测量探头的尺寸)变得更大。对样本尺寸更低的限制是根据信号强度和信噪比(SNR)要求以及实际操作考虑来设置的。对测量探头尺寸更高的限制是由要在探头的体积内获得均匀磁场的期望而强加的。在一些NMR磁力计设计中，常规NMR磁力计的这些限制通过“预极化”测量探头样本而得到缓解。在使用样本测量磁场强度之前对所述样本进行预极化使得基本较弱的磁场能够被测量到，和/或使得能够使用基本更小的探头。使用更小的探头还使得测量对磁场不均匀性或梯度不那么敏感，使得能够在更小的空间中进行测量，并且使得能够测量更高空间分辨率的场绘图。一些预极化方法利用奥佛好塞效应(Overhauser effect)。这样的“奥佛好塞磁力计”有利地利用一种影响氢原子的现象。高频射频(RF)功率在存在弱磁场的情况下用于激励少量次级液体的不成对电子，所述次级液体被加到包含氢原子的初级液体样本中。这种激励的电子导致在剩余液体中的氢原子核经由“奥佛好塞效应”变得被极化，参见例如 Aspinall 等人的 “Magnetometry for Archaeologists”(Rowman&LittlefeldPublishers, Inc, 2008)中的第47-48页。奥佛好塞磁力计是高效节能的并且具有适于地球场测量的灵敏度。奥佛好塞磁力计的功耗能够被优化为在连续工作、产生介于0. InT到0. OlnT之间的灵敏度并且采样率高达5Hz的情况下低至1W。
下文提供了新的经改进的设备和方法，其克服了上面提到的问题和其他问题。

发明内容
根据一个公开的方面，一种设备，包括磁力计，所述磁力计包括样本，其包括选定核素；光源，其被配置成通过利用具有轨道角动量的光辐射照射所述样本来使所述样本的选定核素超极化；射频发生器，其被配置成在射频的探测范围上向所述样本的超极化的选定核素输入射频能量；检测器，其被配置成检测所述样本的超极化的选定核素中由所输入的射频能量激励的核磁共振的频率；以及信号输出发生器，其被配置成基于检测到的核磁共振的频率来输出指示磁场强度的信号。根据另一公开的方面，一种方法包括通过利用具有轨道角动量的光辐射照射样本来使所述样本的选定核素超极化；生成所述样本的超极化的选定核素的核磁共振；确定所生成的核磁共振的频率；并基于所确定的所生成的核磁共振的频率来输出指示磁场强度的信号。 一个优势在于提高了的磁力计灵敏度。另一优势在于提供是探头尺寸减小的磁力计。另一优势在于提高了磁力计空间分辨率。本领域技术人员通过阅读和理解下文的详细描述，更多的优势将会显而易见。


图I概要图示了磁力计的实施例。图2概要图示了由图I的磁力计生成的选定信号。图3概要图示了适于在图I的磁力计或图5的磁力计中使用的光源的实施例。图4概要图示了磁力计的实施例。图5概要图示了由图5的磁力计生成的选定信号。
具体实施例方式本文公开的核磁共振(NMR)磁力计利用选定核素的超极化，该超极化是通过利用具有轨道角动量(OAM)的光辐射照射包含选定核素的样本而产生的。具有OAM的光(如在文中使用的，其涵盖电磁辐射，电磁辐射包括例如可见光、红外光或紫外光)能够通过多种方法生成，诸如通过一个或多个双折射板、偏光镜、透镜、相位板、空间光调制器、相位全息等的合适配置来生成。公开了用于生成具有OAM的光的一些合适的方法,例如Santamoto于 Fortschr. Phys. Vol. 52ηο· 11-12,第 1141-53 页(2004)上的“Photon orbital angularmomentum:problems and perspectives，，；Elgort 等人的 WO 2009/081360A1 ;Albu 等人的WO 2009/090609A1 ;Albu等人的WO 2009/090610A1 ;在此通过引用将这些中的每个并入本文。因为角动量是守恒量，分子吸收的光子的OAM被完全转移至相互作用的分子。因此，受影响的电子状态达到饱和自旋状态，分子绕其自身质心的角动量增加并沿着入射光的传播轴被定向，并且分子的磁子进动运动也沿着入射光的传播轴被定向。这些效应使得可以通过利用承载自旋和OAM的光进行照射来对液体(或者，更一般地，物质)中的原子核超极化。在光束中，存在电磁能量流，其中一个分量沿射束传播的矢量行进，而第二分量绕射束传播的轴旋转。第二分量与绕射束传播的势矢量的角度变化成比例。旋转能量流与定量OAM值，本文中记为1，成比例，并且转移至与光相互作用的分子的旋转能量随OAM值I的值而增加。因为角动量是守恒量，当承载自旋和OAM的光被物质的分子吸收时，系统(包括辐射和物质两者)的总角动量在辐射的吸收和释放期间不变。当光子被原子吸收时，其角动量转移至原子。所得到的原子的角动量由此等于其初始角动量加上所吸收光子的角动量的矢量和O通常，分子包括原子核和耦合的电子，并且存在核角动量和电子角动量两种类型。当光子与分子相互作用时，电子的OAM直接耦合至光跃迁。然而，不同类型的角动量通过多种相互作用彼此耦合，这允许从光子穿过电子轨道到核自旋、电子自旋和分子旋转储藏(molecular rotation reservoirs)的流的极化。参见 Elgort 等人的 WO 2009/081360 Al ；Albu等人的W02009/090609 Al ;Albu等人的WO 2009/090610 Al ;在此通过引用将这些中的每个并入本文。光子与分子之间的相互作用的大小与光子的OAM成比例。结果，分子旋转值和取向发生改变以趋向沿着光的传播方向对准，以及趋向沿相同方向对准分子原子核。 分子的动量发生改变是因为分子的动量被向着被赋予自旋和与光的OAM量成比例的OAM的光在沿着入射光的传播轴的方向上的对准而偏移。参考图1，概要图示了利用连续波(CW)测量方法的例示性磁力计。样本10包括选定核素，在所述选定核素中激励NMR以执行磁场强度测量。核素例如可以是从表I中选择的同位素，表I列出了适于用作NMR磁力计的目标样本的一些原子种类。表I不是全面的，并且也可以利用在表I中未列出的其他核素。要在NMR磁力计中使用的目标样本的选择受要测量的磁场强度的范围的影响。通常有利的是将NMR磁力计的运行频率范围保持在相对窄的带内以及保持在既不太高又不太低的频率处。例如，当测量处在O. 04T到2T之间的场时，通常以水的形式使用1H原子核。当测量处在2T和14T之间的磁场时，包含2H2O分子的重水形式的2H原子核是合适的。应当理解，样本10包括目标或选定核素，但任选地也可以包括其他原子、分子或物质。例如，就包括1H原子核的水而言，样本10也包括氧原子，氧原子为水(H2O)分子的一部分；类似地，就包括2H原子核的重水而言，样本10通常也包括氧和相当数量的1H原子核形式的氢原子两者。在一些实施例中，样本10可以包括水或另一种溶剂，包括目标或选定核素的溶质溶解在其中。一般而言，样本10是液体形式，因为这种相态能够提供大体上的均匀性和高的分子堆积密度；然而，样本10也可以是固体、气体或物质的其他相态。如表I中所示，目标或选定核素的选择确定了旋磁比(Y )。表I
同位素I旋磁比(Y) tH42.576396MHz/T~
^6.535MHz/T
t3C10.71MHz/T
权利要求
1.一种设备，包括 磁力计,其包括 样本(10)，其包括选定核素， 光源(12)，其被配置成通过利用具有轨道角动量的光辐射(14)照射所述样本来使所述样本的所述选定核素超极化， 射频发生器(20、26、30、150、152)，其被配置成在射频的探测范围上向所述样本的超极化的选定核素输入射频能量(32 )， 检测器(20、26、40、150、154、164、166)，其被配置成检测在所述样本的所述超极化的选定核素中由所输入的射频能量激励的核磁共振的频率，以及 信号输出发生器(64、66)，其被配置成基于所检测到的核磁共振的频率，输出指示磁场强度的信号。
2.根据权利要求I所述的设备，其中 所述射频发生器(20、26、30)被配置成在所述射频的探测范围上扫掠所输入的射频能量(32);以及 所述检测器(20、26、40)包括共振电路(20、26)，所述共振电路(20、26)包括如下至少之一 (i )感应器(20)，其具有作为所述感应器的核心的所述样本(10);以及(ii )电容器，其具有作为电介质间隔器的所述样本，所述检测器被配置成基于由所述共振电路生成的信号来检测核磁共振的所述频率。
3.根据权利要求I所述的设备，其中 所述射频发生器(150、152)被配置成向所述样本(10)的所述超极化的选定核素输入宽带射频能量，其中，所述宽带射频能量涵盖所述射频的探测范围；并且 所述检测器(150、154、164、166)包括射频线圈(150)和谱分析器(164、166)，所述射频线圈(150)被配置成检测从所述样本发出的核磁共振，所述谱分析器(164、166)被配置成确定由所述射频线圈检测到的所述核磁共振的所述频率。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中，所述光源(12)被配置成通过利用具有轨道角动量和圆极化的光辐射照射所述样本(10)来使所述样本的所述选定核素超极化。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的设备，其中，所述光源(12)被配置成通过利用具有至少1=10的轨道角动量I的光辐射照射所述样本(10)来使所述样本的所述选定核素超极化。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的设备，其中，所述样本(10)包括水并且所述选定核素包括1H原子核。
7.根据权利要求1-5中的任一项所述的设备，其中，所述样本(10)包括含有2H2O分子的重水并且所述选定核素包括2H原子核。
8.根据权利要求1-5中的任一项所述的设备，其中，所述选定核素是从包括同位素 、2H、13C、14N、19F、23Na、27Al 和 31P 的组中选择的。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的设备,其中，所述信号输出发生器(64、66)包括 示出所述磁场强度的显示装置(66、72 )。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的设备，其中，所述样本(10)具有大约100立方微米或更小的体积。
11.根据权利要求1-9中的任一项所述的设备，其中，所述样本(10)具有大约10立方微米或更小的体积。
12.—种方法,包括 通过利用具有轨道角动量的光辐射(14)照射样本(10)来使所述样本的选定核素超极化； 生成所述样本的超极化的选定核素的核磁共振； 确定所生成的核磁共振的频率；以及 基于所确定的所生成的核磁共振的频率，输出指示磁场强度的信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述生成包括向所述样本(10)输入射频能量，包括在射频的探测范围上扫掠所输入的射频能量。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述生成包括向所述样本输入宽带射频能量，其中，所述宽带射频能量涵盖射频的探测范围。
15.根据权利要求12-14中的任一项所述的方法，其中，所述超极化包括 通过利用具有至少1=10的轨道角动量I的光辐射照射所述样本(10)来使所述样本的所述选定核素超极化。
16.根据权利要求12-15中的任一项所述的方法，其中，所述选定核素包括1H原子核。
17.根据权利要求12-15中的任一项所述的方法，其中，所述选定核素包括2H原子核。
18.根据权利要求12-15中的任一项所述的方法，其中，所述选定核素是从包括同位素nnmi和31P的组中选择的。
19.根据权利要求12-18中的任一项所述的方法，其中，所述输出包括 在显示装置(66、72)上将所述磁场强度显示为具有磁场单位的数值。
20.根据权利要求12-18中的任一项所述的方法，其中，所述输出包括 在显示装置(66、72 )上显示所述磁场强度。
全文摘要
一种磁力计，包括样本(10)，其包括选定核素；光源(12)，其被配置成通过利用具有轨道角动量的光辐射(14)照射所述样本来使所述样本的选定核素超极化；射频发生器(20、26、30、150、152)，其被配置成在射频的探测范围上向所述样本的超极化的选定核素输入射频能量(32)；检测器(20、26、40、150、154、164、166)，其被配置成在所述样本的超极化的选定核素中检测由所输入的射频能量激励的核磁共振的频率；以及信号输出发生器(64、66)，其被配置成基于检测到的核磁共振的频率，输出指示磁场强度的信号。
文档编号G01R33/24GK102859384SQ201180019898
公开日2013年1月2日 申请日期2011年3月18日 优先权日2010年4月22日
发明者D·R·埃尔戈特, L·R·阿尔布 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司