20170115 核磁共振陀螺中内嵌碱金属磁力仪研究
核磁共振陀螺中内嵌碱金属磁力仪研究
核磁共振陀螺中内嵌碱金属磁力仪研究罗晖;杨开勇;汪之国;张燚;夏涛;赵洪常【期刊名称】《导航定位与授时》【年(卷),期】2017(004)001【摘要】核磁共振陀螺利用核自旋的闭环磁共振实现角速度的测量,其磁共振信号一般由内嵌碱金属磁力仪测出.为了提高磁力仪性能,对描述磁力仪的Bloch方程,采用微扰迭代法和级数展开法,求出了各磁矩分量的近似解,然后讨论了线性测量范围随纵向与横向弛豫时间的变化规律以及频率响应特性.利用数值仿真,对上述近似解析解进行了验证.结果表明,磁力仪的线性测量范围随纵向、横向弛豫时间的增大而减小,其频率响应为一阶低通,截止频率仅与横向弛豫时间有关.上述研究对核磁共振陀螺的优化有一定的参考意义.【总页数】4页(P85-88)【作者】罗晖;杨开勇;汪之国;张燚;夏涛;赵洪常【作者单位】国防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073;国防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073;国防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073;国防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073;国防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073;国防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073【正文语种】中文【中图分类】V241.5【相关文献】1.光泵磁力仪中磁共振光学检测方法研究 [J], 张振宇;程德福;王君;周志坚;连明昌2.核磁共振陀螺仪研究进展 [J], 陈颖;刘占超;刘刚3.干涉光谱仪中动镜的磁悬浮支撑磁力解耦方法研究∗ [J], 丁超; 许孟杰4.陀螺仪气室中碱金属原子数密度的检测 [J], 周尹敏;曾乐成;徐正一;李连花;裘栩炀;徐信业5.核磁共振陀螺仪中共振磁场强度优化研究 [J], 霍丽君;刘院省;贺宇;黄伟;李新坤因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
核磁共振陀螺中抑制碱金属原子极化磁场影响的有效方法[发明专利]
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专利名称：核磁共振陀螺中抑制碱金属原子极化磁场影响的有效方法
专利类型：发明专利
发明人：张燚,汪之国,李佳佳,江奇渊,罗晖,杨开勇
申请号：CN202011610975.8
申请日：20201230
公开号：CN112833870A
公开日：
20210525
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种核磁共振陀螺中抑制碱金属原子极化磁场影响的有效方法，它涉及量子传感器件领域。
包括以下步骤：1、利用NMRG内嵌碱金属磁力仪测量碱金属原子感受到的纵向磁场强度，包括外磁场与稀有气体原子核磁矩磁场；2、联合测得的碱金属原子与两种稀有气体原子感受到的纵向磁场，建立碱金属原子与稀有气体原子磁场强度模型，获得碱金属原子感受到的纵向磁场对NMRG双同位素差动频率影响的理论公式；3、利用理论公式，从NMRG原有差动频率信号中减除碱金属原子极化磁场的影响，从而达到提高陀螺性能的目的。
本发明能够提升陀螺性能，有利于核磁共振陀螺的研制以及新一代量子器件的发展。
申请人：中国人民解放军国防科技大学
地址：410073 湖南省长沙市开福区德雅路109号
国籍：CN
代理机构：焦作加贝专利代理事务所(普通合伙)
代理人：冯新志
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一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置[发明专利]
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专利名称：一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置专利类型：发明专利
发明人：王妍,刘院省,阚宝玺,王学锋,周维洋,石猛,邓意成,李新坤,赵连洁
申请号：CN201610867727.9
申请日：20160929
公开号：CN106525018A
公开日：
20170322
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，该装置包括线圈支撑骨架和静磁场线圈两部分结构。
其中，线圈支撑骨架为圆筒形，其内部放置原子气室及加热相关结构件，线圈支撑骨架的侧壁上设置有多道对称分布的环形绕线凹槽，用来固定静磁场线圈。
静磁场线圈为上下对称的多组圆形线圈，其对称面为线圈支撑骨架的中心横截面，线圈采用一根漆包铜线绕制，每组缠绕匝数相同，通过特定的位置分布控制，能为核磁共振陀螺仪的气室所在区域提供均匀性极高的高精度静磁场。
本发明与现有技术相比磁场均匀性好，结构更为紧凑，易于安装和维护，易实现工程化。
申请人：北京航天控制仪器研究所
地址：100854 北京市海淀区北京142信箱403分箱
国籍：CN
代理机构：中国航天科技专利中心
代理人：庞静
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核磁共振陀螺仪研究进展
第36卷第7期2019年7月控制理论与应用Control Theory&ApplicationsV ol.36No.7Jul.2019核磁共振陀螺仪研究进展陈颖,刘占超†,刘刚(北京航空航天大学惯性技术国家级重点实验室,北京100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191)摘要:核磁共振陀螺仪(NMRG)是基于量子原理的、目前世界上体积最小的导航级陀螺仪,具有加速度不敏感、抗干扰能力强且没有运动部件等优势,有望在与微机电陀螺仪同等体积、成本下达到光学陀螺仪的精度,受到了国内外广泛关注.介绍了核磁共振陀螺仪基于核磁共振技术的基本工作原理,然后回顾了核磁共振陀螺仪自20世纪60年代起的发展历史,重点分析了21世纪以来国内外研究机构在核磁共振陀螺领域取得的重大研究成果,并对国内外核磁共振陀螺仪的最新研究进展进行了跟踪,美国Northrop Grumman公司已经率先研制出了面向军事领域的微小型导航级核磁共振陀螺仪.最后对核磁共振陀螺仪未来发展的方向进行展望,将进一步向高精度、低成本和小体积方向发展,同时分析了核磁共振陀螺可能应用前景,将广泛应用于民用领域以及军用领域.关键词:核磁共振陀螺仪;原子陀螺仪;微陀螺仪;惯性导航;量子原理引用格式:陈颖,刘占超,刘刚.核磁共振陀螺仪研究进展.控制理论与应用,2019,36(7):1017–1023DOI:10.7641/CTA.2019.80613Advances in nuclear magnetic resonance gyroscopeCHEN Ying,LIU Zhan-chao†,LIU Gang(National Key Laboratory of Inertial Technology,Beihang University,Beijing100191,China;School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering,Beihang University,Beijing100191,China)Abstract:The NMRG which is based on the quantum principle is a kind of atomic gyroscopes and it is the smallest navigation-grade gyroscope in the world at present.At the same time,the nuclear magnetic resonance gyroscope features acceleration insensitivity,strong anti-interference ability and no moving parts.It is expected to reach the accuracy of optical gyroscopes with the same size and cost as micro-electro-mechanical system(MEMS)gyroscopes and it is widely concerned at home and abroad.The basic working principle of nuclear magnetic resonance gyroscope was summarized atfirst.Then, the development history of nuclear magnetic resonance gyroscope from the1960s was reviewed and the representative researches of it since the21th century are analyzed.Meanwhile,the latest research results of nuclear magnetic resonance gyroscope was tracked.Northrop Grumman corporation which belongs to the US has been thefirst to develop the smallest navigation-grade nuclear magnetic resonance gyroscope for the US’s military areas.Finally,the development direction of nuclear magnetic resonance gyroscope is prospected,which will further develop towards high precision,small volume and low cost.The possible application direction of nuclear magnetic resonance gyroscope is analyzed as well,it will be widely used in civilfields and militaryfields.Key words:nuclear magnetic resonance gyroscope;atomic gyroscope;micro-gyroscope:inertial navigation systems; quantum theoryCitation:CHEN Ying,LIU Zhanchao,LIU Gang.Advances in nuclear magnetic resonance gyroscope.Control Theory &Applications,2019,36(7):1017–10231引言随着人类活动范围越来越大,导航定位技术已成为日常生活中不可或缺的工具,然而常规导航技术难以在地下、水下等环境实现连续可靠的导航.尤其是随着干扰技术的兴起,惯性导航技术作为唯一全自主、实时、连续的导航技术,成为了实现高精度无缝导航的关键方法[1–4].惯性导航技术以陀螺仪和加速度计作为核心敏感收稿日期:2018−08−17;录用日期:2019−04−28.†通信作者.E-mail:liuzc@;Tel.:+8610-82339550.本文责任编委:席在荣.国家自然科学基金项目(61661136007,61703021,61763005),航空科学基金项目(20170551004)资助.Supported by the National Natural Science Foundation of China(61661136007,61703021,61763005)and the Aeronautical Science Foundation of China(20170551004).1018控制理论与应用第36卷器,其中陀螺仪包括光学陀螺仪、微机电陀螺仪与原子陀螺仪等.原子陀螺仪根据工作原理不同可分为原子自旋式陀螺仪以及原子干涉式陀螺仪,其中原子自旋式陀螺仪包括无自旋交换弛豫(spin exchange relax-ation free,SERF)陀螺仪、核磁共振陀螺仪以及金刚石氮空位(nitrogen-vacancy,NV)色心陀螺仪[1–3].SERF 原子自旋陀螺仪利用电子自旋敏感物体转动,精度高、体积小,正处于原理样机研究阶段.核磁共振陀螺仪利用核磁共振技术工作,兼顾低功耗、小体积、低成本、高精度、抗振动等综合优势,目前发展较为成熟.金刚石NV 色心陀螺仪也可称为新型核磁共振陀螺仪,通过空穴中电子自旋测量旋转,兼顾体积小、启动快的优点,目前仍处于学术研究阶段[5–10].本文首先介绍核磁共振陀螺仪的工作原理,然后回顾了其发展历史,重点总结21世纪以来核磁共振陀螺仪的研究成果,跟踪了国内外基于核磁共振陀螺的最新研究进展.最后展望了核磁共振陀螺的发展方向,分析了其应用前景.2核磁共振陀螺原理原子自旋可以在惯性空间中保持其原始指向,所以可以用原子自旋敏感转动,核磁共振陀螺就是基于该原子敏感载体旋转的,其硬件基本结构主要包括泵浦光源、检测激光、气室、无磁加热系统、磁补偿线圈、磁屏蔽装置、光电探测器以及外围信号处理电路等.核自旋具有磁矩µ,取向与自旋轴方向一致,在自然状态下具有随机性,无宏观指向.如图1所示将核自旋置于静磁场B 0中,核自旋将在静磁场作用下以拉莫尔角频率绕B 0方向进动.图1核磁共振陀螺原理示意图Fig.1Schematic diagram of NMRG在此基础上作用与磁场方向相同的泵浦光后,可使原子被极化,赋予核自旋宏观指向.通过在正交于己有稳定静磁场B 0方向外加频率与原子进动频率相等的、均匀的交变电磁场B 1(t ),核自旋会产生核磁共振且共振频率等于拉莫尔角频率.检测激光与载体系固联并随其共同旋转,通过检测宏观核自旋的拉莫尔进动频率,能够获得载体旋转角速率.载体在惯性参考系中绕B 0方向转速为ωr 时,探测光观察到拉莫尔进动频率为ω=ωL +ωr .在确定核自旋元素后γn 为物理常量,通过改变静磁场的磁场强度B 0能够确定ωL =γn ·B 0,根据ωr =ω−ωL 可以检测载体的旋转角速率并实现角运动的测量.然而静磁场的磁场强度B 0未知时,上式包含两个待求解量,通过检测同一装置中两个具有旋磁比γa 和γb 的不同原子核的核磁共振信号,根据观测到的共振频率为ωa 和ωb ,得到式(1)–(2):ωa =γa ·B 0−ωr ,(1)ωb =γb ·B 0−ωr .(2)由此可解算出载体的实际转速ωr 和静磁场的磁场强度B 0,实现角运动的测量[5–6].3核磁共振陀螺发展历史1938年,核磁共振的概念由Isidor Rabi 提出,然后Bloch 在理论上进行了改进.1952年,Leete 和Hansen 首次提出核磁共振陀螺原理,许多研究机构进行研究并取得大量研究成果[11–12].Litton 公司(现为Northrop Grumman 公司)和Singer-Kearfott 公司(现为Kearfott 公司)于20世纪60年代起开始进行相关研究,分别研制出核磁共振陀螺原理样机.1979年,Litton 工业公司Kanegsberg 等人首次研制出了体积为100cm 3的核磁共振陀螺原理样机,以83Kr–129Xe 作为敏感介质,零偏稳定性为0.05(◦)/h,模型如图2所示[13].同年,Kearfott 公司使用同位素199Hg 和201Hg 作为敏感介质研制出核磁共振陀螺样机,零偏稳定性为0.1(◦)/h [14].1983年斯坦福大学利用3He 与4He 原子作为敏感介质研制了低温超导核磁共振陀螺,650cm 3的体积下实现了长达数天的弛豫时间[15].自20世纪80年代起,核磁共振陀螺遇到了提升技术指标的瓶颈,而当时激光陀螺、光纤陀螺仍有继续向高精度、低成本方向发展的潜力,因此大多研究机构转向研究光学陀螺[16].近年来,量子原理和微机电等技术的进步使核磁共振陀螺不仅在原有基础上取得显著进展,还推动了许多新型核磁共振陀螺仪的出现。
核磁共振作为脑神经连接创制反应敏感性原子辨识设备检验
核磁共振作为脑神经连接创制反应敏感性原子辨识设备检验核磁共振（NMR）是一种非侵入性的成像技术，已经广泛应用于医学领域以研究人类大脑的结构和功能。
近年来，科学家们开始探索如何将核磁共振应用于脑神经连接和反应敏感性原子的辨识，以帮助我们更加全面地理解大脑的工作原理。
本文将探讨核磁共振作为脑神经连接创制和反应敏感性原子辨识设备检验的前沿进展和应用。
脑神经连接是指大脑内不同区域之间的连接，它们负责传递信息和协调各种认知和运动功能。
传统的研究方法主要依赖于动物实验和切片技术，但这些技术在非侵入性和整体性方面存在一些局限性。
而核磁共振成像则能够提供一种非侵入性的方法来研究脑神经连接。
通过对大脑中的水分子进行探测和分析，核磁共振可以生成具有空间和时间解析度的图像，从而帮助揭示脑神经连接的结构和功能。
近年来，科学家们已经通过脑神经连接扫描技术的发展，取得了令人瞩目的成果。
例如，在一项被称为“人脑连接组计划”的国际研究项目中，科学家们使用核磁共振技术对数百名成年人进行扫描，以建立起一个全面的脑神经连接图谱。
这个图谱不仅可以帮助我们更好地理解大脑的结构和功能，还可以为神经系统疾病的研究和治疗提供重要的依据。
除了脑神经连接的研究外，核磁共振还可以应用于反应敏感性原子的辨识。
反应敏感性原子是指那些与化学反应有关的原子，它们的化学环境可以通过核磁共振技术被准确地检测和识别。
这对于研究神经系统中的化学反应和代谢过程非常重要，因为这些反应和代谢过程直接影响到大脑的功能和健康。
通过核磁共振技术，科学家们可以监测神经元活动中相关的化学反应。
例如，氧化还原反应在神经元活动中起着重要的作用，通过监测神经中的氧化还原反应，我们可以更好地了解神经元的活动规律和功能。
此外，核磁共振还能够帮助研究者观察神经系统中其他重要的化学反应，如酸碱平衡和金属离子浓度的变化等。
对于共振的敏感性原子的辨识在核磁共振技术中具有重要的意义。
通过对敏感性原子的辨识，我们可以更好地理解大脑中的化学反应过程，从而为神经系统疾病的诊断和治疗提供更精确的信息。
核磁共振陀螺用高均匀磁场线圈设计方法
核磁共振陀螺用高均匀磁场线圈设计方法
王春娥;秦杰
【期刊名称】《导航定位与授时》
【年(卷),期】2017(004)001
【摘要】核磁共振陀螺代表了新一代高精度、微小型陀螺的发展方向之一,随着陀螺体积的降低,磁屏蔽层与磁场线圈随之减小,且二者贴合更加紧密,高导磁性的磁屏蔽层及低导磁性的空气介质交错分布,改变了线圈的磁通路径,导致线圈的磁场均匀性下降,制约了陀螺精度的提高.针对这一问题,提出了磁场等效增益系数,模拟磁屏蔽边界对线圈磁场的影响,据此建立了磁屏蔽边界条件下高均匀磁场线圈模型,优化了线圈参数.对所设计线圈的磁场均匀性进行了测试,表明该设计方法可以得到磁屏蔽边界条件下高均匀磁场线圈,可为发展微小型、高精度的核磁共振陀螺高均匀磁场线圈设计方法提供参考.
【总页数】5页(P89-93)
【作者】王春娥;秦杰
【作者单位】北京自动化控制设备研究所,北京100074;北京自动化控制设备研究所,北京100074
【正文语种】中文
【中图分类】V241.5
【相关文献】
1.一种均匀磁场线圈优化设计方法 [J], 朱武兵;赵文春;庄劲武;刘胜道
2.应用载流线圈的费曼模型再谈非均匀磁场对载流线圈的作用 [J], 金蓉
3.基于MEMS的高Q值核磁共振平面微线圈 [J], 李晓南;王明;杨文晖;王利;宋涛
4.应用载流线圈的费曼模型再谈非均匀磁场对载流线圈的作用 [J], 金蓉
5.应用载流线圈的费曼模型再谈非均匀磁场对载流线圈的作用 [J], 金蓉
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一种核磁共振陀螺横向磁场线圈耦合标定方法
一种核磁共振陀螺横向磁场线圈耦合标定方法
张昊;岳亚洲;雷兴;马圣杰
【期刊名称】《压电与声光》
【年(卷),期】2024(46)1
【摘要】磁场线圈是核磁共振陀螺磁场系统的核心部件,是惰性气体磁共振激励维持、主动磁补偿的核心部件。
横向磁场线圈的耦合对磁补偿精度与磁共振激励都有较大影响。
因此,横向磁场线圈的耦合标定尤为重要。
为解决上述问题,提出了一种基于核磁共振陀螺内置磁力仪的横向磁场线圈耦合标定方法,通过理论仿真和实验设计,验证了其正确性与可行性。
实验结果表明,采用所提出的耦合标定方法对X轴对Y轴耦合和Y轴对X轴耦合进行标定,分别为1.86%和3.11%。
通过旋转线圈改变装配角度,表明此方法在较小旋转角度时,测量结果不受装配误差的影响。
通过标定同一批次的5只线圈,根据结果从中选取耦合较小的线圈进行装配,为核磁共振陀螺线圈的筛选奠定了基础。
【总页数】6页(P97-102)
【作者】张昊;岳亚洲;雷兴;马圣杰
【作者单位】西安飞行自动控制研究所;航空惯性技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN965;U666.1
【相关文献】
1.一种设计术中MRI系统横向梯度线圈的新方法
2.核磁共振陀螺用高均匀磁场线圈设计方法
3.线圈耦合距对坑道瞬变电磁场的影响与校正方法
4.核磁共振陀螺横向补偿磁场优化设计
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