【文章內(nèi)容簡介】 作用下，質(zhì)子的運動會發(fā)生明顯的變化，關(guān)于在外場作用下物質(zhì)質(zhì)子 的運動有兩種解釋 ，簡述如下 [910]： 第一種解釋 ：如 圖 ，質(zhì)子的磁矩 M 在有外場的作用下，繞外場旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成質(zhì)子的進動，這樣物質(zhì)的總磁矩就會在外場方向體現(xiàn)，這樣就表現(xiàn)為一個總磁矩，物質(zhì)就有了磁性，但是有沿著外場方向的磁矩，也有逆著外場方向的磁矩，而且這兩種磁矩方向相反，大小幾乎相等，所以整個物質(zhì)對外還是不顯磁性。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 9 圖 外場作用下質(zhì)子自旋示意圖 第二種解釋 ：第二種解釋是從量子力學(xué)的角度加以分析的。 如 之前所說 ，質(zhì)子的自旋量子數(shù)為 1/2，在外場的作用下發(fā)生能級分裂，質(zhì)子的自旋磁矩分裂為兩個能級：高能級和低能級，高能級質(zhì)子的磁矩方向與外場方向相反，低能級質(zhì)子的磁矩方向與外場方向相同，高低能級的粒子數(shù)滿足波爾茲曼分布，低能級的粒子數(shù)要稍高于高能級的粒子數(shù)，整體上物質(zhì)不顯磁性。如 圖 。 圖 外磁場作用下質(zhì)子能級發(fā)生分裂 質(zhì)子進動弛豫過程 在外磁場消失后，質(zhì)子的自旋狀態(tài)會發(fā)生改變，由原來的雙能級狀態(tài)逐漸恢 復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，這一過程為弛豫過程，這個過程遵循指數(shù)衰減，這樣過程 中又有兩個子過程，一個是縱向弛豫時間 ，一個是橫向弛豫時間 ， 又稱晶格弛豫時間， 是自旋弛豫時間，這兩個弛豫過程都會使物質(zhì)的總磁矩衰減，最終歸于平衡狀態(tài)。如果在沒有外場的質(zhì)子中突然加上外場，質(zhì)子就會以相同的過程由原來的平衡狀態(tài)變到雙能級的分裂狀態(tài)。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 10 以下以氫質(zhì)子為例來簡述這一質(zhì)子弛豫過程： 設(shè)穩(wěn)定磁場為地磁場 ，在其垂直方向上施加射頻磁場 脈沖。該脈沖被稱為 π /2 脈沖或 90176。 脈沖，脈沖 頻率等于氫質(zhì)子在地磁場中的拉莫爾頻率 ， 脈沖寬度 t為施加射頻磁場 的時間， 有公式 ， 式中， 被稱為 扳倒角 ， 是地磁場 與 M 的夾角 ， ， 調(diào)整 t 或 使 ，磁化強度將轉(zhuǎn)向垂直地磁場的方向，此時將脈沖停止，磁化強度除了圍繞射頻磁場進動外，還要隨旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系繞 z軸旋轉(zhuǎn)，這 2種運動合成 如圖 螺旋形運動。 圖 磁化強度的自由進動螺旋形衰減 在 90176。 脈沖作用后，產(chǎn)生了磁化強度的橫向分量，磁化強度矢量 M 繞恒定磁場 進動，由于弛豫作用磁化強度的橫向分量 ， 按指數(shù)形式隨時間衰減，衰減的特征時間為 ，磁化強度的縱向分量 隨時間增長，趨向其平衡值 ，增長的特征時間為 ，稱為磁化強度的自由進動衰減。 該過程被稱為質(zhì)子弛豫過程。 弛豫過程實際上是質(zhì)子與外界交換能量的過程，在撤去外場的時候，質(zhì)子通 過自旋與外界交換能量，最終回到平衡狀態(tài)。 Overhauser 磁力儀 Overhauser磁力儀基本原理是，將帶有不成對電子的特殊液體與氫原子結(jié)合并置于射頻 (RF)磁場之中進行極化，隨之被極化的不成對電子便會將其極化信息傳遞給氫原子，于是就產(chǎn)生了進動信號。這種進動信號對總磁場強度的變化有很高的靈敏度，特別適用于高精磁測。與直流極化和靜態(tài)極化質(zhì)子磁力儀不同，overhauser磁力儀采用的是動態(tài)極化的方式。 Overhauser 效應(yīng)在磁力儀中的應(yīng)用 普通 質(zhì)子磁力儀與 Overhauser磁力儀之間最大的區(qū)別在于二者的質(zhì)子自旋群有偏差。 Overhauser效應(yīng)是一種利用電子 質(zhì)子耦合來完成質(zhì)子極化的現(xiàn)象。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 11 一種 包含一個自由基原子（有一個自由電子的原子） 的特制化學(xué) 物質(zhì) 被添加到含有豐富質(zhì)子的液體之中。流體中的游離電子可以容易而有效地受到符合特定能級躍遷的低頻射頻輻射的激發(fā)。游離電子會將其轉(zhuǎn)移到臨近的質(zhì)子中，而不是作為輻射源重新激發(fā)這種能量。這種質(zhì)子極化的方式不需要構(gòu)建一個很大的人工環(huán)境磁場。 極化時，一個 Overhauser 磁力儀中的質(zhì)子自旋群將會遵循以下關(guān)系： ??+??? 1+? ?（ ???? ?????)?? ??? (21) 這里， h 是普朗克常數(shù) ( 179。 10?34 J178。 s), ωi 是質(zhì)子旋轉(zhuǎn)角頻率 , ωs 是電子自旋角頻率。其中， ωi 是一個環(huán)境場的函數(shù)， ωs 則很大程度上依賴于Overhauser 化學(xué)分子的結(jié)構(gòu)。 探頭的磁場測量 Overhauser磁力儀探頭傳感器有兩個線圈，一般是繞在盛有 Overhauser溶液的 玻璃容器外面 [1112]。特殊液體存在電子自旋和質(zhì)子自旋兩個自旋系統(tǒng)，常采用具有穩(wěn)定自由基的有機溶劑作為工作物質(zhì) 。一個是激勵線圈，與射頻振蕩器連接，射頻頻率等于工作物質(zhì)中電子在地磁場的共振頻率 (VHF)；另一線圈是信號接收線圈，接收 overhauser效應(yīng)所產(chǎn)生的信號。此信號頻率與待測地磁場關(guān)系為 ?? 2 (22) 此式中： T 為地磁場強度， nT； f 為接收信號頻率， Hz； 為與質(zhì)子有關(guān)的常數(shù)，稱為磁旋比， =(177。 )179。 10 ? ? ? ，它不受外界因素如溫度、壓力、濕度的影響，并且有 相當(dāng)精確 的測定結(jié)果。 因而，由（ 2）得到， ?? 2 23 4 4 (23) 由該式，可以將磁場的測量轉(zhuǎn)換為探頭傳感器對于穩(wěn)定自由基質(zhì)子自旋頻率的測量。 探頭中感應(yīng)線圈 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢信號分析 根據(jù) ，放置線圈使其軸線與 y軸方向一致，由電磁學(xué)公式有 ?? ) (24) 被磁化的研究對象通過接收線圈會產(chǎn)生磁通量，表示為 (25) 此式中， 為線圈匝數(shù)， A 為線圈面積。線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為 ? ?? ?? )+ 1 ?? ) (26) 由于式中括弧內(nèi)兩項之比遠小于 1，故忽略余弦項，得到 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 12 ? ?? ?? ) (27) 此式表示感應(yīng)電動勢隨時間呈現(xiàn)周期式變化，其角頻率 ω ，其大小隨著時間按照指數(shù)規(guī)律衰減，被稱為自由感應(yīng)衰減 （ free induction decay，縮寫為 FID）信號。當(dāng) 、 一定時，感應(yīng)電動勢與時間呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律 （圖 ） 。 圖 感應(yīng)電動勢隨時間衰減 本章小結(jié) 本章首先對質(zhì)子旋進現(xiàn)象進行了解釋，闡述了溶液中質(zhì)子在自由狀態(tài)下以及 在外場作用下的運動規(guī)律，給出了經(jīng)典解釋與量子力學(xué)解釋。在外場作用下溶液 會顯示出順磁特性，質(zhì)子會在沿外場方向上顯出磁性。接著文中詳細的介紹了對 溶液進行極化，在撤掉外場后，質(zhì)子 空間中呈現(xiàn) 螺旋運動 形勢衰減。 最后給出了探頭結(jié)構(gòu)以及線圈中感應(yīng)信號的衰減 形式，從理論上研究了整個極化過程以及旋進信號特征 。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 13 第三章 Overhauser 質(zhì)子磁力儀結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 國內(nèi)現(xiàn)有的磁力儀大多 是基于單片機進行設(shè)計，雖然其滿足 了功耗低、操作簡便等要求，但是可擴展性較差、 功能單一，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在越來越高的測量要求。因此，為了使此次設(shè)計的 Overhauser磁力儀具有更加完善的功能，我基于ARM進行了儀器結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 質(zhì)子磁力儀由于需要在野外使用，因而功耗低、功能強、使用方便、穩(wěn)定性好成為其設(shè)計 所需要實現(xiàn)的主要目標(biāo)。其次，是否具有多樣化的功能也是一臺磁力儀設(shè)計是否優(yōu)秀的重要參考因素。 本章中主要介紹了 Overhauser磁力儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體 設(shè)計了每一個主要的部分，同時給出了大致的設(shè)計電路連接圖作為參考。 儀器總體設(shè)計 圖 Overhauser質(zhì)子磁力儀總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。 圖 Overhauser磁力儀總體結(jié)構(gòu)框圖 其中，主控 CPU采用低功耗 ARM芯片，頻率測量使用新型 CPLD器件設(shè)計以保證高精度測量。儀器內(nèi)建 GPS模塊，并擴展 64M的 EEPROM存儲器。儀器通過 USB接口與PC相連，以進行儀器升級、數(shù)據(jù)傳送等操作，同時 USB接口還可以連接 USB設(shè)備，如 U盤、移動硬盤等進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存讀取。設(shè)計存儲卡接口以方便數(shù)據(jù)的存儲與導(dǎo)出。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 14 主控 CPU 在本章開頭已經(jīng)講到，磁力儀主要用于野外測量，因而功能強、功耗低是磁力儀設(shè)計的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，我選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的超低功耗 32位 ARM處理器 STM32L152RB作為主控 CPU[13]。該處理器概述見表 。 表 STM32L152RB芯片概覽 型號 程序存儲器 RAM （ bytes） 數(shù)據(jù)EEPROM(bytes) A/D輸入 類型 容量 STM32L152RB FLASH （ Kbytes） ● 128 16K 4K 20179。 12bit I/O端口（大電流） LVD級別 封裝 供電電壓（ V） 51（ 51） 7 LQFP64/BGA64 ~ 串行接口 定時器功能 2xSPI, 2xI178。C, 3xUSART (IrDa， ISO 7816)， 1xUSB 16bit(IC/OC/PWM) 其他 8179。 16bit（ 16/16/16） SysTick，兩個看門狗， RTC 特殊功能 段式 LCD控制驅(qū)動器， USB，電壓調(diào)節(jié)， MPU，超低功耗振蕩器，硬件 RTC， 6種低功耗模式， 2個比較器，復(fù)位系統(tǒng) +BOR STM32L152RB芯片的主要性能特點如下 : ? ARM CortexM3 32MHz處理器 ? 內(nèi)置 128K字節(jié)閃存， 16K字節(jié) RAM和 4K字節(jié) EEPROM ? 2個子系列：子系列間管腳、軟件和外設(shè)兼容 ? 與 STM32F系列在引腳分布上兼容 (但 STM32L沒有 VBAT引腳 ) ? 超低能耗：低至 185μ A/DMIPS ? 供電電壓：帶低電壓檢測 (BOR)時為 ~(在掉電時可降低至 )，不帶低電壓檢測 (BOR)時為 ~ ? 6種超低功耗模式：功耗最低可達 270nA ? 超低功耗動態(tài)模式：低功耗運行時功耗低至 A，低功耗睡眠且有 1個定時器運行時功耗低至 A ? 運行模式，代碼從 FLASH執(zhí)行加動態(tài)電壓調(diào)節(jié) (3種模式 )，經(jīng)濟功耗低達 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 15 230μ A/MHz ? 豐富的高端模擬、數(shù)字外設(shè) ? 工作溫度范圍 40176。 C至 +85176。 C 通過以上描述，顯然， STM32L152RB芯片完全滿足 Overhauser質(zhì)子磁力儀的要求，其強大的擴展性為在未來進一步提升儀器的功能提供了條件。如有需要，完全可以為此儀器設(shè)計一 WIFI或 ZigBee模塊，使其具有無線控制功能，方便測量。ARM芯片強大的處理能力還能滿足簡單的數(shù)據(jù)處理要求。 在具有強大功能的同時， STM32L152RB芯片還具有超低的功耗，可以滿足野外長時間的測量任務(wù)。其功耗數(shù)據(jù)見表 。 表 STM32L152RB芯片功耗數(shù)據(jù) 運行模式 STM32L152RB 典型值： 25℃ 典型值： 3V 25℃ 動態(tài)運行于 FLASH（模式 1， 2， 3） 286， 265， 230uA/MHz 動態(tài)運行于 RAM（模式 1， 2， 3） 270,218,186uA/MHz 運行于 RAM低功耗模式 低功耗睡眠模式，使能一個定時器 使能了 RTC的停止模式 沒有使能 RTC的停止模式 使能了 RTC的待機模式 沒有使能 RTC的待機模式 可見，該芯片具有相當(dāng)?shù)偷墓摹，F(xiàn)在市面上具有較低功耗的單片機為 MSP430系列，其中， MSP430F149單片機工作電流為 250uA/MHz。通過對比，此設(shè)計所使用的 STM32L152RB芯片的功耗近似于或低于市面上的單片機功耗，因而，該儀器的控制系統(tǒng)功耗將會低于市面上的質(zhì)子磁力儀， ARM芯片先進的電源管理系統(tǒng)也有助于降低系統(tǒng)功耗。因此，使用該芯片進行設(shè)計完全可行。 系統(tǒng)中，基于 STM32L152RB芯片 設(shè)計的主控板除了要實現(xiàn)基本的測量和控制功能以外，還要能夠?qū)崿F(xiàn)測量數(shù)據(jù)的保存查詢、日期和時間， GPS定位顯示和日歷時鐘校準(zhǔn)，測量模式選擇，數(shù)據(jù)及其曲線顯示，與 PC機通訊，溫度監(jiān)控，電量檢測等功能。 信號 測量 探頭配諧 Overhauser磁力儀利用 LC并聯(lián)諧振回路進行選頻測量 [14]，諧振公式為 12 √ (31) 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 16