超宽带核磁共振法精密测量脉冲强磁场的关键问题

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。

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。