轉移自旋極化的制作方法
【專利說明】轉移自旋極化
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年5月3日提交的美國臨時專利申請61/819,103和2014年1月31日 提交的美國臨時專利申請61/934，205的優先權，這兩個優先權文件的全部內容通過引用包 含于此。
【背景技術】
[0003] 本發明涉及在磁共振環境中轉移自旋極化(spin polarization)。
[0004] 在磁共振系統中，信噪比（SNR)-般依賴于自旋極化和與環境達到熱平衡所需的 時間。達到熱平衡所需的時間（以能量弛豫時間（energy relaxation time)Ti為特征)通常 例如在低溫下變長。用于從量子系統去除熵（entropy)的傳統技術包括動態核極化 (dynamic nuclear polarization，DNP)、算法冷去 |3(algorithmic cooling)、光栗浦 (optical pumping)、激光冷卻和微波冷卻等等。
[0005] 已經使用了各種方式來提高磁共振應用中的信噪比（SNR)。例如，通常使用經過多 次獲取的信號平均來提高SNR。另一方式例如是通過將多個感應線圈重疊并且使用相控陣 列技術來提高感應探測器的靈敏度。在一些系統中，將感應探測器嵌入在冷凍劑中來降低 感應探測器內的固有噪聲。
【發明內容】
[0006] 在一些方面，使用基于腔的技術來提高自旋系綜(spin ensemble)的極化。樣本包 含第一自旋系綜和第二自旋系綜。驅動場將第一自旋系綜與腔進行耦合，并且該耦合提高 了第一自旋系綜的極化。將極化從第一自旋系綜轉移至第二自旋系綜。在一些情況下，第一 自旋系綜和第二自旋系綜是樣本中的兩個不同的材料或種類。
[0007] 在一些實現中，液體樣本包括溶解在溶劑材料中的溶質材料，或者固體樣本包括 稀種類和富種類的組合物。在一些實例中，可以利用基于腔的技術來使溶劑或富自旋種類 極化，并且可以將極化轉移至溶質或稀自旋種類。例如可以在樣本是液體的情況下經由核 極化效應（Nuclear Overhauser Effect，N0E)、在樣本是固體的情況下經由交叉極化 (Cross Polarization，CP)或者經由可能的其它技術來將極化轉移至溶質或稀自旋種類。
[0008] 在一些實現中，自旋系綜的極化比影響自旋系綜的非相干熱過程（例如，熱自旋-晶格弛豫和自發輻射等)提高得更快。在一些實現中，自旋系綜實現比熱平衡極化更高的極 化。在一些情況下，提高自旋系綜的極化可以獲得改善的SNR或其它優勢。
[0009] 將在以下附圖和說明書中說明一個或多個實現的細節。根據說明書和附圖、以及 根據權利要求書，其它特征、目的和優勢將是明顯的。
【附圖說明】
[0010] 圖1A是示例磁共振系統的示意圖。
[0011] 圖1B是示例控制系統的示意圖。
[0012] 圖1C是用于提高自旋系綜的極化的示例技術的流程圖。
[0013] 圖1D是示例磁共振系統的示意圖。
[0014] 圖1E是用于提高自旋系綜的極化的示例技術的流程圖。
[0015] 圖2是示出示例磁共振系統中的自旋共振頻率、腔共振頻率和拉比頻率的圖。
[0016]圖3示出針對耦合至兩級腔的自旋的兩個示例能級圖。
[0017 ]圖4是示出針對示例腔冷卻自旋系綜的狄克(D i eke)子空間的歸一化期望值-<JX (t)>/J的模擬演變的圖。
[0018]圖5是耦合至腔的示例自旋系統的能級圖。
[0019]圖6是示例3-自旋希爾伯特(Hilbert)空間的圖。
[0020]圖7是示出針對示例自旋系綜所計算出的有效冷卻時間的圖。
[0021]圖8A是示出示例的基于腔的冷卻過程中的熵流的示意圖。
[0022] 圖8B是示出圖8A所示的速率Γ sc和Γ CF的示例值的圖。
[0023] 圖9是示例磁共振成像系統的示意圖。
[0024] 各圖中的相似附圖標記表示相似要素。
【具體實施方式】
[0025] 在此，說明例如可以用于通過使自旋系綜快速極化來提高磁共振系統中的信噪比 (SNR)的技術。可以使用所說明的技術來實現包括以下應用的各種背景中的這些和其它優 勢：核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR)波譜法、電子自旋共振（electron spin resonance，ESR)波譜法、核四極共振(nuclear quadrupole resonance，NQR)波譜法、磁共 振成像(magnetic resonanceimaging，MRI)、量子技術和裝置以及其它應用。
[0026] 說明應用于磁共振環境中的系綜自旋系統的基于腔的冷卻技術。在一些實現中， 使用具有低模體積和高品質因數的腔，來在與腔參數相關的時間量度上將系綜自旋系統的 所有耦合角動量子空間主動驅動至純度與腔的純度相等的狀態。在一些示例中，通過將基 于腔的冷卻與角動量子空間的混合進行交替，自旋系綜將會在可以顯著短于自旋的特性熱 弛豫時間（??的時間量度內接近腔的純度。在一些情況下，可以以相比熱弛豫速率（1/T0更 快的有效極化速率(l/Tuff)來與熱自旋-晶格弛豫過程類似地對基于腔的冷卻過程期間自 旋系綜的極化隨時間經過的提高進行建模。
[0027] 在一些實例中，可以使用這里所述的基于腔的冷卻技術來提高磁共振應用中的信 噪比（SNR)。例如，基于腔的冷卻技術可以通過提高磁共振樣本的極化來改善SNR。例如可以 在自旋所生成的感應信號通常較弱的情況下的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI)應用和液態磁共振應用中使用該SNR增強。還可以在其它應用中進行極化提 高和相應的SNR改善。
[0028] 因此，可以使用腔來從自旋系綜去除熱量(降低自旋溫度)或者向自旋系綜添加熱 量(提高自旋溫度），由此提高自旋極化。對自旋系綜進行加熱，這可以產生可能與負自旋溫 度相對應的反向極化。
[0029] 圖1A是示例磁共振系統100的示意圖。圖1A所示的示例磁共振系統100包括:主磁 系統102、冷卻系統120、共振器和腔系統112、包含自旋108的樣本110、控制系統118、溫度控 制系統130、以及梯度系統140。磁共振系統可以包括附加的或不同的特征，并且可以以如圖 1A所示的方式或以其它方式來配置磁共振系統的組件。
[0030] 在圖1Α所示的示例中，將樣本110維持在樣本溫度(Ts)。在一些實現中，樣本溫度 (Ts)是周圍溫度。溫度控制系統130可以進行將樣本110維持在指定溫度的熱調節。通常，樣 本110可以保持在任何熱溫度。在一些示例中，樣本110是液體材料或液晶材料，并且樣本溫 度(Ts)被保持在適當水平以維持樣本110處于液態。在一些示例中，樣本110是活體成像對 象(例如，人類或其它類型的活體對象），并且樣本溫度(Ts)被保持在適當水平以針對成像 對象維持期望環境。溫度控制系統130可以使用主動或被動溫度控制技術。例如，溫度控制 系統130可以使用與樣本110有關的受控氣流、與樣本110有關的加熱或冷卻元件、與樣本 110有關的絕熱元件或者這些和其它特征的組合來控制樣本110的溫度。
[0031] 在一些實現中，溫度控制系統130包括樣本溫度控制器（sample temperature control ler，STC)單元。STC單元可以包括積極監測樣本110的溫度并且應用溫度調節的溫 度調節器系統。例如可以使用熱電偶以感測樣本溫度來監測樣本110的溫度。所監測到的溫 度信息例如可以與反饋系統一起使用來調節樣本溫度，由此將樣本溫度保持為指定的恒定 值。在一些情況下，反饋系統可以通過空氣供給系統來調整供給至樣本環境的熱空氣或冷 空氣。例如，空氣供給系統可以包括響應于反饋系統所提供的控制數據而將加熱后或冷卻 后的空氣通入樣本環境的風扇。
[0032] 如以下更詳細地說明，可以使用示例共振器和腔系統112來控制自旋系綜。在一些 情況下，腔和共振器系統112通過對自旋系綜進行加熱或冷卻來提高自旋系綜的極化。 [0033]冷卻系統120針對共振器和腔系統112提供熱環境。在一些情況下，冷卻系統120可 以從腔吸熱以維持腔的低溫。在圖1A所示的示例中，冷卻系統120與共振器和腔系統112熱 接觸。在一些情況下，冷卻系統120將共振器和腔系統112維持在液氦溫度（例如，約4開爾 文）、液氮溫度(例如，約77開爾文)或其它冷凍溫度(例如，小于100開爾文）。在一些情況下， 冷卻系統120將共振器和腔系統112維持在脈管制冷機(pulsed-tube refrigerator)溫度 (例如，5~11開爾文）、栗氦低溫恒溫器(pumped helium cryostat)溫度（例如，1 · 5開爾 文）、氦-3制冷機（helium-3 refrigerator)溫度（例如，300毫開爾文）、稀釋制冷機 (dilution refrigerator)溫度(例如，15毫開爾文)或其它溫度。在一些實現中，保持共振 器和腔系統112的溫度(TC)處于或低于10開爾文或100開爾文，而保持樣本110的溫度高于 樣本中的材料的熔化溫度(例如，對于基于水的樣本，高于273開爾文的溫度）。
[0034] 在一些情況下，共振器和腔是作為兩個單獨的結構來實現的，并且將兩者保持在 相同的冷凍溫度。在一些情況下，共振器和腔是作為兩個單獨的結構來實現的，并且將腔保 持在冷凍溫度而將共振器保持在更高的溫度。在一些情況下，將集成型共振器/腔系統保持 在冷凍溫度。通常，可以使用各種冷卻系統，并且冷卻系統120的特征可以適用于期望工作 溫度T C、適用于共振器和腔系統112的參數或者適用于磁共振系統100的其它方面。
[0035] 在一些情況下，磁共振系統100包括一個或多個熱阻隔件，其中這些熱阻隔件利用 更冷的系統組件（例如，冷卻系統120的組件、共振器和腔系統112的組件、等等）來將樣本 110與熱相互作用進行熱絕緣。例如，熱阻隔件可以防止樣本110和冷卻系統120之間的直接 接觸，并且熱阻隔件可以用于減少樣本110和冷卻系統120之間的間接熱傳遞。例如，溫度控 制系統130可以包括用以隔絕樣本110以免與冷卻系統120發生熱相互作用的絕緣體。在一 些實現中，樣本110可以被具有低磁化率的或者適用于磁共振應用的熱絕緣體材料包圍（例 如，部分或全部包圍）。例如，可以使用聚酰胺基塑料材料（例如，DUPONT?制造的 VESPELC?)作為樣本11 〇和更冷的系統組件(例如，冷卻系統120、共振器和腔系統112、等 等)之間的熱阻隔件。
[0036] 通常，可以使用各種冷卻系統，并且冷卻系統120的特征可以針對共振器和腔系統 112的參數或者針對磁共振系統100的其它方面來修正期望工作溫度T C。在圖1A所示的示例 中，冷卻系統120包圍共振器和腔系統112并且維持共振器和腔系統120的溫度TC低于樣本 110的溫度Ts。
[0037] 在一些實現中，共振器和腔系統112以期望工作溫度TC，即，室溫（約300K)~液氦 溫度(約4K)的范圍來工作，并且冷卻系統120使用液體流低溫恒溫器來維持期望工作溫度 Tc。冷卻系統120可以包括真空低溫恒溫器(evacuated cryostat)，并且共振器和腔系統 112可以安裝在低溫恒溫器內部的冷板上。共振器和腔系統112可以被安裝成與低溫恒溫器 熱接觸，并且被熱輻射罩包圍。冷卻系統120可以通過輸送線連接至液體冷凍劑源(例如，液 氮或液氦杜瓦瓶(Dewar))，其中可以將液體冷凍劑經由輸送線連續輸送至冷頭。流動速率 和所使用的液體冷凍劑可以控制工作溫度。可以經由排氣口來排出氣體。
[0038] 在一些情況下，冷卻系統120使用閉環系統(例如，商用Gif ford-McMahon脈管冷凍 機)來維持共振器和腔系統112的期望工作溫度TC。在一些示例中，閉環系統或脈管系統可 以避免需要連續輸送昂貴的液體冷凍劑。在一些閉環制冷機中，低溫恒溫器具有兩級:第一 級（例如范圍為40~80K)用作第二級所用的熱絕緣體，并且第二級包住冷頭以及共振器和 腔系統112。一些示例閉環系統可以達到10開爾文的穩定工作溫度。
[0039]在一些情況下，冷卻系統120使用液氦低溫恒溫器來維持共振器和腔系統112的期 望工作溫度TC。在一些應用中，液氦低溫恒溫器可以不太復雜并且更加穩定。在使用液氦低 溫恒溫器的情況下，可以將共振器和腔系統112浸在(例如，完全或部分地浸在)液氦中。該 系統可以具有包含液氮的外部杜瓦瓶和包含液氦的內部杜瓦瓶，并且可以通過真空夾套或 其它熱絕緣體使這兩個杜瓦瓶分開。液氦低溫恒溫器系統通常可以達到約4開爾文的穩定 工作溫度。
[0040] 在一些情況下，冷卻系統120使用氦氣流(或栗浦氦)低溫恒溫器來維持共振器和 腔系統112的期望工作溫度T C。一些商用氦氣流(或栗浦氦)低溫恒溫器可以達到1.5開爾文 的穩定工作溫度。在這種情況下，共振器和腔系統112可以安裝在低溫恒溫器內部，并且可 以經由共振器和腔系統112的表面來傳遞氦氣流。在一些實現中，冷卻系統120包括包圍共 振器和腔系統112并且通過真空夾套來進行熱隔離的液氦杜瓦瓶，并且閥（例如，液氦杜瓦 瓶中的機械控制的針