超宽带核磁共振法精密测量脉冲强磁场的关键问题结题摘要

强磁场环境是物理、化学、生命科学等多个学科探索未知领域的新平台。准确标定脉冲强磁场，不仅是上述科学研究的需要，也将有助于磁场精密测量技术本身的发展。本项目基于此应用背景展开研究。 常规的脉冲核磁共振技术仅限于对恒定纵向磁场或脉冲纵向磁场某一瞬间的场强进行测量，而本项目研究了一种基于超宽带核磁共振原理（UWB-NMR）的脉冲磁场精密测量方法，即，在脉冲纵向磁场环境中，用具有一定频带宽度的射频磁场持续激励观测样品，从而免去常规NMR实验中必不可少的场频联锁环节，并同时获得纵向磁场随时间的变化规律。本项目在相关现象的物理机理、实验方法设计、关键的信号处理技术等方面都有所创新。 从常规NMR理论入手，分析求解了时变纵向磁场下的Bloch方程，并推延到脉冲磁场情况；通过龙格库塔法数值求解了时变纵向磁场与多种形式的射频场共同激励下的Bloch方程，得到了样品磁化强度矢量沿x、y、z方向分量的时变解（非稳态NMR响应），从物理原理上验证了本项目所提出的时变磁场测量方法的正确性。 在上述理论工作基础上，构建了以正交双线圈探头和先进信号处理技术为核心的观测脉冲纵向磁场NMR现象的电子学系统，搭建了集宽带射频信号产生与低失真发射、非稳态NMR信号的大动态范围接收-采集-分析处理功能于一体的实验平台，并在该平台上进行了低场情况下的单频、离散多频和宽带脉冲激励下的NMR实验。 由于正交双线圈的隔离度有限，从射频激励线圈直接泄漏到NMR感应线圈中的射频激励信号，其强度总是远高于期望观测的NMR信号，为此本项目设计了盲辨识补偿算法以提高NMR信号接收通道的无杂散失真动态范围；为了从混合信号中分离出微弱的NMR信号，设计了一种基于三阶累积量的LMS自适应干扰抵消算法以抵消泄漏射频信号；然后，利用减谱法或SVD法以降低NMR信号接收通道的本底噪声，以便进一步提高NMR信号的信号-干扰噪声比(SINR)。在此基础上，通过短时傅里叶分析最终反演出时变纵向磁场的场强随时间的变化特性。

强磁场环境是物理、化学、生命科学等多个学科探索未知领域的新平台。准确标定脉冲强磁场，不仅是上述科学研究的需要，也将有助于磁场精密测量技术本身的发展。常规的脉冲核磁共振技术仅限于对恒定磁场或脉冲磁场某一瞬间的强度进行测量，而本项目将研究一种基于超宽带核磁共振原理（UWB-NMR）的脉冲强磁场（包括恒定磁场的不稳定性）精密观测方法，以便精确获得超长重复周期或单次型脉冲磁场过程的时间分布。主要研究内容包括两大方面：①脉冲磁场和超宽带射频连续信号激励下的氢核非稳态能级跃迁饱和问题、非稳态核磁共振信号参数的定量分析；②脉冲强磁场精密测量方法面临的三个电子学关键问题- - 超宽带射频信号的产生与低失真发射、脉冲强磁场下非稳态核磁共振信号的大动态范围接收和采集、宽带射频信号与核磁共振信号的盲分离。深入研究上述关键问题，可为国家重大工程项目脉冲强磁场实验装置的实验和测量提供支持。

磁场既然是普遍存在的，通过大量的天文观测和研究，认识到的最强磁场存在于脉冲星中。脉冲星又称中子星，是恒星演化到晚期的一类星体。根据天体演化过程，一般恒星演化到晚期时，由于原子核聚变产生高热能所需的核聚变物质已经用尽，热能剧减，恒星物质的引力便使星体收缩，体积变小，而恒星磁场便因恒星收缩和磁通密度变大而增强。这样，演化到晚期的恒星磁场便急剧大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁场剧增到约10^3~10^4特[斯拉](T），而演化到晚期的脉冲星(中子星）的磁场更剧增到约10^8~10^9特[斯拉]，分别比太阳磁场增加约千万到亿倍（10^7~10^8倍）和约万亿到10万亿倍（10^12~10^13倍）。例如图5便是在地球高空观测到的武仙星座X-1脉冲星（中子星）发射的X射线谱。进一步研究认识到这一发射的X射线谱是由于X-1脉冲星的电子流在磁场中的回旋运动产生的，而谱线的吸收峰便是电子流在磁场中的回旋共振峰。由回旋共振的位置（X射线的能量）便可计算出回旋共振的磁场的强度约5×10^8T。这样强的磁场是科学技术在地球上远远达不到的，科学技术在地球上所能得到的磁场的强度仅约10^2T，两者相差约百万倍（10^6倍）。

根据对各处宇宙磁场的观测，各种星体的磁场都高于星体之间的星际空间的磁场。例如，在太阳系中各行星之间的行星际磁场约为1×10^-9~5×10^-9特[斯拉](T），即约为地球磁场的十万分之一（10^-5）。在各个恒星之间的恒星际空间的恒星际磁场，常简称星际磁场，比行星际磁场更低，大约为5×10^-10~10×10^-10特[斯拉](T），即约为行星际磁场十分之一（10^-1），也就是约为地球磁场的百万分之一（10^-6）。恒星际（空间）磁场主要是应用恒星光的偏振观测和恒星射电（无线电波）的塞曼效应（即无线电波在磁场中分裂而改变频率）观测及维持银河星系结构的稳定性理论计算等来测定或估算恒星际磁场。由现代多方面的天文观测知道，由大量的恒星形成星系，例如太阳便是银河星系中的一个恒星，而银河星系以外的宇宙空间中还有更多更多的星系。星系与星系之间的空间称为星系际空间，根据多方面的天文观测的间接推算和理论估计，星系际空间的磁场约为10^-13~10^-12特[斯拉](T），即约为行星际磁场的万分之一到千分之一（10^-3~10^-2）。恒星际磁场大约相当于人的心（脏）磁场（约百亿分之一T），而星系际磁场大约相当于人的脑（部）磁场（约万亿分之一T），甚至低于脑（部）磁场。

从上面宇宙磁现象的介绍可以看出，宇宙磁现象是宇宙空间到处都存在的，而且许多宇宙磁现象还同科学研究和我们生活有着密切的关系，还有着远比我们在地球上接触到的磁场更强和更弱的磁场。