微型SERF型磁强计、其使用方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种微型SERF型磁强计，及其使用方法和应用。通过采用微型SERF磁强计来对脑磁图进行采集，能够明显减小探测器与大脑间间距提高脑磁图的信噪比，相对现有SQUIDs制成的脑磁图有更高的灵敏度和信噪比以及空间分辨率；因不需要昂贵的制冷设备，则导致整个设备成本大大降低；最终实现低成本，无侵入式对脑磁图进行测绘用于临床医学的研究；应用于脑磁图测绘中，具有广阔的应用前景有取代现有SQUIDs脑磁仪的趋势；同时微型SERF磁强计也可用于对弱磁物质的探测和标定；基于SERF的超高灵敏度磁强计将取代现有依靠SQUIDs进行脑磁图测量，能够为临床脑磁图的广泛使用起到积极的推动。

Miniature serf magnetometer, its use and Application

【技术实现步骤摘要】
微型SERF型磁强计、其使用方法和应用
本专利技术属于磁源成像领域，具体涉及一种微型SERF型磁强计，及其使用方法和应用。
技术介绍
目前在脑磁图成像领域主要基于超导量子干涉仪(SQUIDs)来对脑磁信号进行记录和成像。目前商业应用最为成熟的技术方案中，典型的基于超导量子干涉仪(SQUIDs)的脑磁仪需要近300个传感器，以及一系参考传感器对噪声进行消除，同时整个装置需要冷却至4.2K，每个通道单独记录，最终将所有通道的进行记录成像。主要存在以下问题：一、传感器与脑部距离过远，而磁偶极矩信号随着距离呈三次方衰减，其磁偶极矩一阶信号、二阶信号依次随距离呈四次方、五次方的衰减，导致脑磁信噪比不高。二、装置需要制冷至4.2K，需要昂贵的制冷设备。导致其不仅设备成本过高，而且日常维护成本也不低。脑磁图的测量对临床医学有着重大的意义，此专利技术的目的就是为了将脑磁图能广泛应用于临床。但超导量子干涉仪(SQUIDs)存在如下缺点和不足：一、在脑磁测量中传感器与大脑距离过远。二，因需维持设备在超导条件下工作，需要复杂庞大的低温系统。针对上述问题，本专利技术的目的在于如何制作满足脑磁图要求的微型SERF型原子磁强计。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种微型SERF型磁强计，及其使用方法和应用。在阐述本
技术实现思路
之前，定义本文中所使用的术语如下：术语“SERF”是指：Spin-ExchangeRelaxationFreeRegime，无自旋交换驰豫。术语“淬灭气体”是指：带有很多振转能级的双原子分子气体。为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种微型SERF型磁强计，所述磁强计包括：光路部分，原子气室部分和光电传感器信号采集部分；优选地，所述原子气室为碱金属原子气室；更优选地，所述原子气室为钾原子气室。根据本专利技术第一方面的微型SERF型磁强计，其所述光路部分包括：激光器，保偏光纤，光纤耦合器，准直透镜，格兰·泰勒棱镜，折返棱镜和四分之一波片，其中，所述格兰·泰勒棱镜可替换为偏振分束棱镜。优选地，所述原子气室部分采用高硼硅玻璃制作，气室内冲入一定大气压的淬灭气体；所述淬灭气体优选为双原子分子气体，更优选为氮气、氢气、氧气、氟气，最优选为氮气；和/或所述淬灭气体的压强为0.01～10atm，优选为0.04～5atm，更优选为0.08～2atm，最优选为1atm。更优选地，气室内还冲入缓冲气体，优选地：所述缓冲气体为惰性气体，优选为以下一种或多种：氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)，最优选为氦气；和/或所述缓冲气体和淬灭气体的配比为0.1～300：1，优选为0.1～100：1，更优选为0.1～10：1，最优选为0.39:1。进一步优选地，所述光纤耦合器、所述准直透镜、所述格兰·泰勒棱镜或偏振分束棱镜、所述折返棱镜、所述四分之一波片、所述原子气室和所述光电传感器共同设置于探头部分。本专利技术的第二方面提供了第一方面所述的微型SERF型磁强计的使用方法，所述方法包括以下步骤：(1)将激光器打开调节光纤耦合效率，对初始光强进行调节；(2)打开加热系统；(3)打开调制磁场；(4)将待测磁场加入观察信号变化；(5)将待测磁场产生的信号进入锁相放大器中进行解调处理和记录；优选地，所述步骤(2)中，将所述加热系统加热至粒子数浓度在1012～1015cm-3范围内；最优选地，将所述加热系统升温至粒子数浓度为1013～1014cm-3之间。本专利技术的第三方面提供了第一方面所述的微型SERF型磁强计在制备脑磁图测量设备中的应用。本专利技术第四方面提供了一种脑磁图测量设备，所述设备包括：本专利技术第一方面所述的微型SERF型磁强计。本专利技术第五方面提供了本专利技术第一方面所述的微型SERF型磁强计在制备弱磁物质的探测和标定设备中的应用。典型的脑磁强度在50fT左右。基于目前实现的基于SERF超高灵敏度磁强计能够实现fT*Hz-1/2的灵敏度足以满足脑磁图的需求：使用微型SERF型磁强计能够显著拉近探头与脑部之间的距离对提高信噪比有显著作用；此磁强计不需工作在4.2K低温环境下，只需工作在140～200摄氏度下便可，这样便不需高昂的制冷设备，有利于降低了设备成本，同时日常维护消耗极低。本专利技术的微型SERF型磁强计可以具有但不限于以下有益效果：1、通过采用微型SERF磁强计来对脑磁图进行采集，能够明显减小探测器与大脑间间距提高脑磁图的信噪比，相对现有SQUIDs制成的脑磁图有更高的灵敏度和信噪比以及空间分辨率。2、同时本方案因不需要昂贵的制冷设备，则导致整个设备成本大大降低；最终实现低成本，无侵入式对脑磁图进行测绘用于临床医学的研究。3、应用于脑磁图测绘中，具有广阔的应用前景有取代现有SQUIDs脑磁仪的趋势；同时微型SERF磁强计也可用于对弱磁物质的探测和标定。4、基于SERF的超高灵敏度磁强计将取代现有依靠SQUIDs进行脑磁图测量，能够为临床脑磁图的广泛使用起到积极的推动。附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施方案，其中：图1示出了本专利技术提供的微型SERF磁强计整体结构示意图。图2示出了本专利技术提供的微型SERF磁强计设计细节示意图。图3示出了本专利技术提供的微型SERF磁强计对弱磁场的测定结果图。附图标记说明：1、光纤耦合器底座；2、通光孔径；3、准直透镜安装槽；4、格兰·泰勒棱镜或偏振分束棱镜安装槽；5、折返棱镜安装槽；6、四分之一波片安装槽；7、调制线圈安装槽；8、保温隔热槽；9、气室安装槽；10、光电探测器安装槽；11、激光器；12、保偏光纤；13、光纤耦合器；14、准直透镜；15、光路；16、格兰·泰勒棱镜或偏振分束棱镜；17、折返棱镜,；18、四分之一波片；19、原子气室；20、光电探测器；21、探头；22、导线；23、锁相放大器。具体实施方式下面通过具体的实施例进一步说明本专利技术，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本专利技术。本部分对本专利技术试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本专利技术目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本专利技术仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本专利技术所用材料和操作方法是本领域公知的。以下实施例中使用的试剂和仪器如下：材料：保偏光纤，购自ThorlabsInc.，型号：PM630-HP(Panda)；光纤耦合器，自制；准直透镜，购自大恒新纪元科技有限公司，型号：GCL-011652；格兰·泰勒棱镜，购自曲阜师范大学激光研究所，型号：LGP-4；折返棱镜，购自武汉优光科技有限责任公司，型号：RAP0110。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型SERF型磁强计，其特征在于，所述磁强计包括：光路部分，原子气室部分和光电传感器信号采集部分；优选地，所述原子气室为碱金属原子气室；更优选地，所述原子气室为钾原子气室。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型SERF型磁强计，其特征在于，所述磁强计包括：光路部分，原子气室部分和光电传感器信号采集部分；优选地，所述原子气室为碱金属原子气室；更优选地，所述原子气室为钾原子气室。


2.根据权利要求1所述的微型SERF型磁强计，其特征在于，所述光路部分包括：激光器，保偏光纤，光纤耦合器，准直透镜，格兰·泰勒棱镜，折返棱镜和四分之一波片，其中，所述格兰·泰勒棱镜可替换为偏振分束棱镜。


3.根据权利要求1或2所述的微型SERF型磁强计，其特征在于，所述原子气室部分采用高硼硅玻璃制作，气室内冲入淬灭气体；
所述淬灭气体优选为双原子分子气体，更优选为氮气、氢气、氧气、氟气，最优选为氮气；和/或
所述淬灭气体的压强为0.01～10atm，优选为0.04～5atm，更优选为0.08～2atm，最优选为1atm。


4.根据权利要求3所述的微型SERF型磁强计，其特征在于，气室内还冲入缓冲气体，优选地：
所述缓冲气体为惰性气体，更优选为以下一种或多种：氦气、氖气、氩气、氪气、氙气，最优选为氦气；和/或
所述缓冲气体和淬灭气体的配比为0.1～300：1，优选为0.1～100：1，更优选为0.1～10：1，最优选为0.39:1。


5.根据权利要求1～4任一项所述的微型SERF型磁强计，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜鹏程，王如泉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11