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核磁共振(NMR)及磁共振成像(MRI)被广泛应用于凝聚态物理、分析化学、生物学和医学等领域。为提高信号强度,常规NMR/MRI系统一般使用超导磁体产生特斯拉(T)量级的强磁场极化样品,这导致系统庞大、复杂且昂贵。与此同时,结构简单、价格便宜的极低场(测量磁场强度在μT量级)NMR/MRI研究一直受到科学家的关注,并在近年取得比较显著的进展。
为了弥补极低场系统信噪比低的缺点,本论文使用磁场强度在mT量级的预极化磁场来增强样品宏观磁化强度,并选择灵敏度达到fT量级的超导量子干涉器件(SQUID)作为传感器,分别在屏蔽室内和无屏蔽环境下进行极低场NMR/MRI的研究。
在磁屏蔽室内,我们对比了工作于液氮温度下的常规高温超导RF-SQUID,调谐RF-SQUID、调谐铜线圈等五种传感器,发现在9kHz频率附近,由RF-SQUID和铜线圈耦合构成的调谐式传感器灵敏度高达7fT/√Hz,且探测面积最大,是检测极低场NMR信号的最佳传感器构型。我们设计并研制了基于场效应管的Q开关电路,消除了强预极化场(～10mT)关断时谐振回路中感生振铃电流产生的干扰。与常规RF-SQUID测量相比,调谐式RF-SQUID记录的水样品NMR谱线信噪比提高了3～4倍;通过改变谐振回路的共振频率,我们分别获得了三氟乙醇氢峰和氟峰的高质量自旋耦合谱。我们还研究了样品附近不同体积和取向的超导体对NMR自由衰减信号的影响。
在极低场MRI实验中,我们利用胡萝卜样品一维MRI图像研究了空间分辨率和信噪比的折中选择,并根据得到的结论在20 Hz/cm的梯度磁场下,利用滤波反投影重建成像法获得了空间分辨率达1.5mm的二维胡萝卜图像。我们研究了超小超顺磁铁氧化物纳米粒子(USPIO)分散液在高、低场下的弛豫行为,为下一步使用USPIO进行极低场下T1对比度增强成像奠定了实验基础。
我们在实验室无屏蔽环境中搭建了一套低成本NMR装置,使用低温超导直流SQUID二阶梯度计成功测到了地球磁场下水的NMR谱,并通过锁相放大原理从强背景噪声中提取出时域自由进动衰减信号。最后以磷酸三甲酯为例初步研究了无屏蔽环境下的自旋耦合谱。
论文的最后对下一步研究工作进行了讨论和展望。