Application of Hilbert-Huang decomposition to reduce noise and characterize for NMR FID signal of proton precession magnetometer
核磁共振(NMR)自由感应衰减(FID)信号中的参数包含在磁场测量、磁共振探测(MRS)和其它相关应用中有用的信息。实时采样的FID信号被很好地建模为指数序列加噪声的有限混合物。我们建议使用希尔伯特-黄变换(HHT)的降噪和表征,其中广义希尔伯特-黄表示一种方法,将信号分解成所谓的固有模式函数(IMF)以及趋势,并获得瞬时频率数据。首次将HHT用于FID信号的特征分析。首先利用自行研制的质子磁强计样机采集实际的未调谐FID信号,然后利用经验模态分解(EMD)对噪声和原始FID信号进行分解。最后,HHT被应用到所获得的IMF提取希尔伯特能量谱,以指示信号的能量分布在频率轴上。通过理论分析和对实际FID信号的测试,结果表明,与自相关、奇异值分解等常规降噪方法相比,结合该方法能进一步有效地抑制干扰信号,并能得到FID信号的不同分量,用于识别磁异常,这是一个非常重要的性质,因为它可以用来分离FID信号和噪声,并估计FID信号的指数序列参数。
2017-08-07 cs.CE physics.ins-det
Spurious Ferromagnetic Remanence Detected by Hybrid Magnetometer
超低场状态下的核磁共振检测使得能够测量构成样品容器的聚合物材料中的寄生剩磁的不同分量。差分原子磁力计同时检测由容器产生的静态场和来自旋进核的随时间变化的信号。核旋进响应于容器磁化的频率偏移和衰变率变化。后者的两个组分独立地作用于原子传感器和核样品。测量信号的模型允许详细的解释,在相互作用几何的基础上。
2019-04-03 physics.app-ph physics.atom-ph physics.chem-ph
Ultrasensitive 3He magnetometer for measurements of high magnetic fields
我们描述了一种能够测量高磁场(B > 0.1特斯拉)的3 He磁力计,其相对精度优于10^-12。我们的方法是基于测量的自由感应衰变的气体,核自旋极化3 He以下的共振射频脉冲激发。测量灵敏度可以归因于长相干自旋进动时间T2* 为分钟级,这是在运动变窄的制度中实现的,其中场不均匀性的干扰影响被强烈抑制。3 He气体是自旋极化原位使用一种新的,非标准的变体的亚稳态交换光泵浦。我们发现,小型化有助于进一步提高T2*,并且测量灵敏度不会受到10^-4量级的时间场波动的显著影响。
2014-05-27 physics.ins-det
Development of a SQUID-based 3He Co-magnetometer Readout for a Neutron Electric Dipole Moment Experiment
中子永久电偶极矩(EDM)的发现将为粒子物理学标准模型之外的离散对称性提供一个最重要的低能检验。将在ORNL的空间中子源(SNS)上进行的中子EDM新研究旨在将目前的实验极限~10^-26 e-cm提高两个数量级。该实验是基于磁共振技术,其中极化中子旋进拉莫尔频率时,放置在一个静态的磁场;一个非零EDM将是明显的旋进频率的差异时,一个强大的外部电场施加平行与反平行的磁场。除了通过自旋相关的n+3 He核俘获反应作为中子自旋分析仪的作用外,极化氦-3(具有可忽略的EDM)还将作为共磁力计来校正磁场中的漂移。在两种方法中的一种将内置于设备中,氦-3进动信号由基于SQUID的梯度计读出。我们提出了一个适合于中子EDM装置的SQUID系统的设计研究,并讨论了在拾取环和SQUID之间使用很长的引线。
2012-10-17 nucl-ex physics.ins-det
High-Accuracy Absolute Magnetometry with Application to the Fermilab Muon $g-2$ Experiment
本文详细介绍了一种基于脉冲质子核磁共振的高精度绝对标量磁强计。$B$ -场幅度是在考虑了来自探针材料、样品形状和其他校正的场扰动之后,从圆柱形水样品中的质子自旋的进动频率确定的。描述了作为绝对标量磁力计的设计、测试程序和必要的资格修正的特点。在$B = 1.45$ \,T下对该装置进行了试验,但可在超过1- 3\,T的范围内进行修改。磁力计被用来校准其他核磁共振磁力计,并测量绝对磁场强度,精度为十亿分之十九,作为费米实验室测量μ子磁矩异常的一部分。
2021-12-22 physics.ins-det
Nuclear quadrupole resonance spectroscopy with a femtotesla diamond magnetometer
本文提出一种基于NV掺杂金刚石薄膜与铁氧体磁通集中器的飞特斯拉级射频磁力仪,在0.35 MHz处灵敏度约70 fT s^{1/2},并成功检测室温下亚硝酸钠粉末中14N的3.6 MHz核四极共振信号,将金刚石磁力仪灵敏度推进至飞特斯拉级。
2023-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.ins-det
A modular, extendible and field-tolerant multichannel vector magnetometer based on current sensor SQUIDs
我们提出了我们的可扩展和强大的多通道SQUID磁强计系统的原型模块。多模块布置可以通过使用多达7个模块来实现。它用于生物磁性和自旋进动的高精度测量。更高要求的应用是磁弛豫测量和超低场核磁共振(ULF NMR),其中通常施加高达100 mT的脉冲场。该系统在柏林磁屏蔽室内运行,并配备了18个由铌(Nb)线绕拾波线圈组成的磁力计。总共16个直径为17.1 mm的小型拾波线圈形成了一个规则的网格,每个网格都有单独的通道,以确保系统灵敏度覆盖所有三个正交的空间方向。两个大的六边形拾波线圈的等效直径为74.5 mm,敏感的z方向围绕在两个不同的高度的网格,适合于深源的检测。每个线圈通过可拆卸的超导触点连接到薄膜Nb SQUID电流传感器的输入端。SQUID配备了集成的输入电流限制器。进入拾波线圈的反馈使通道之间的串扰最小化。电流传感器芯片封装包括Nb的超导屏蔽。通过数值模拟分析了样机和多模块布置的场畸变。小型磁力计的测量噪声在0.6和1.5 fT/Hz $^{1/2}$之间,大型磁力计的测量噪声远低于1 fT/Hz $^{1/2}$。使用软件梯度计,我们实现了0.54 fT/Hz $^{1/2}$的最小噪声水平。我们进行了超低频核磁共振实验,验证系统的鲁棒性对脉冲场,和脑磁图(MEG)体感诱发神经元活动。我们的18通道原型的低噪声性能使MEG能够检测约1 kHz的高频分量。
2017-08-28 cond-mat.supr-con physics.ins-det
Chemically resolved nuclear magnetic resonance spectroscopy by longitudinal magnetization detection with a diamond magnetometer
本研究提出Ramsey-M_z协议,利用金刚石磁力计检测纵向磁化,在0.32T下实现约350ppb化学位移分辨,验证了其在亚纳升级NMR检测中的高分辨率潜力。
2025-03-04 physics.app-ph physics.chem-ph physics.ins-det
A Digital Alkali Spin Maser
自激振荡原子磁力计,其中原子自旋在磁场中的进动由共振调制驱动,提供高灵敏度和动态范围。从检测到的信号到所施加的调制的相位相干反馈产生了对背景磁场的变化高度响应的共振自旋脉塞系统。在这里,我们展示了一个系统,其中谐振进动的相位条件是由集成到微波激射器反馈回路的数字信号处理满足。该系统使用一个中等芯片规模的激光器和大规模生产的双通铯蒸汽电池,并在50微特斯拉的磁场中工作,使其成为便携式测量地球物理磁场的合适技术。我们证明了一个克拉美-饶下限有限的分辨率为50 fT在1秒的采样节奏,和10 kHz的传感器带宽。该设备也代表了一类重要的原子系统,其中低延迟数字处理形成了相干驱动量子系统的组成部分。
2022-07-22 physics.atom-ph physics.geo-ph physics.ins-det
The Cosmic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr): a dark-matter search with nuclear magnetic resonance
宇宙轴子自旋进动实验(CASPEr)是一个核磁共振实验(NMR),旨在探测可能构成宇宙中暗物质的轴子和类轴子粒子。我们回顾预测的轴子和类轴子粒子与重子物质的耦合,使他们通过核磁共振检测。然后,我们描述了两个测量方案正在实施CASPEr。第一种方法,在原来的CASPEr建议,包括通过连续波NMR光谱共振搜索。该方法对从几Hz到几百MHz的频率范围提供了最高的灵敏度,对应于质量$ m_{\rm a} \sim 10^{-14}$ - $10^{-6}$ eV。亚Hz频率通常难以用NMR探测,这是由于磁力计在该区域的灵敏度降低。为了规避这一限制,我们建议新的检测和数据处理方式。我们描述了一种非共振频率调制检测方案,使搜索从兆赫到赫兹的频率($m_{\rm a} \sim 10^{-17}$ - $10^{-14} $ eV),延长了三十年的检测带宽。
2017-10-17 hep-ph physics.app-ph physics.data-an
RESPECT: Neutron Resonance Spin-Echo Spectrometer for Extreme Studies
我们提出了一个共振自旋回波spectrometer exTreme的研究,ESPECT,这是非常适合探索非色散过程,如扩散,结晶,缓慢的动力学,隧道过程,晶体电场激发,和自旋波动的设计。它是常规中子自旋回波技术(NSE)的变体,通过i)用与RF自旋翻转器组合的纵向中子自旋回波线圈对代替长进动线圈,以及ii)通过用小的纵向引导场稳定中子极化,所述小的纵向引导场可以另外用作场减法线圈,从而允许在8个数量级的范围内调整场积分。因此,如果具有所需能量的中子是可用的,则在原理上,ESCECT的动态范围可以在时间上变化超过8个数量级。与现有的NSE光谱仪类似,如果适当地调节发散和校正元件,则可以达到高达约1微秒的自旋回波时间。由于中子导向器的可选使用以及校正线圈的电流比标准NSE小得多的事实,预期至少一个数量级的强度增益,使得在中等通量中子源处的操作中也具有竞争力。ESCECT也可以在MIEZE配置下运行,当在样品位置施加磁场时,可以研究去极化环境中的弛豫过程,即研究超导体中磁通线的动力学、铁磁材料中的磁波动和含氢样品。
2016-08-02 physics.ins-det
Instrumentation for nuclear magnetic resonance in zero and ultralow magnetic field
我们审查仪器核磁共振(NMR)在零和超低磁场(ZULF,低于0.1 $μ$ T)的检测是基于一个低成本,非低温,自旋交换弛豫(SERF)$^{87}$ Rb原子磁力计。对于低于1 kHz的信号频率,典型的灵敏度为20-30 fT/Hz $^{1/2}$,NMR线宽范围从Hz一直到几十mHz。这些特性使得能够精确测量化学信息的核自旋-自旋耦合以及超低磁场中的核自旋进动。
2017-05-12 physics.ins-det
Restoring Narrow Linewidth to a Gradient-Broadened Magnetic Resonance by Inhomogeneous Dressing
我们研究的可能性抵消线加宽的原子磁共振由于静态磁场的不均匀性,通过空间依赖的磁敷料,驱动的交变场,振荡速度远远超过拉莫尔进动频率。我们证明了一个固有的共振线宽为25赫兹,已扩大到数百赫兹的磁场梯度,可以恢复的应用程序的一个适当的非均匀修整场。我们的实验结果可能具有直接和重要的影响,因为它们有助于在超低场NMR成像中使用原子磁力计作为强大的高灵敏度探测器。
2019-02-22 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
A new measurement of the permanent electric dipole moment of $^{129}$Xe using $^{3}$He comagnetometry and SQUID detection
本文介绍了一种用$^3$ He共磁测量仪测量$^{129}$电火花放电的新技术。这两种物质使用自旋交换光泵极化,转移到一个测量单元,并运送到一个磁屏蔽室,在那里SQUID磁强计检测自由旋进施加的电场和磁场。一周运行结合系统效应的详细研究的结果是$d_A(^{129}\mathrm{Xe}) = (0.26 \pm 2.33_\mathrm{stat} \pm 0.72_\mathrm{syst})\times10^{-27}~e\,\mathrm{cm}$。这对应于$|d_A(^{129}\mathrm{Xe})| < 4.81\times 10^{-27} ~e\,\mathrm{cm}~(95\%~\mathrm{CL})$的上限,比先前的限值灵敏1.4倍。
2019-02-07 physics.atom-ph physics.ins-det
A $^{3}$He-$^{21}$Ne Ramsey Comagnetometer with sub-nHz frequency resolution
本文提出一种新型$^{3}$He-$^{21}$Ne Ramsey共磁强计,结合原位$^{87}$Rb磁强计与微波抑制技术,通过控制样品几何形状消除核自旋相互作用,在6小时积分后实现0.6 nHz频率灵敏度的无偏置测量。
2025-09-16 physics.atom-ph physics.ins-det
Observation of gravitationally induced vertical striation of polarized ultracold neutrons by spin-echo spectroscopy
本文描述了一种自旋回波法测量旋进室中暴露于$|B_0|=1~\text{μT}$磁场中的超冷中子。我们已经证明,结合周围磁场的知识的UCN自旋回波共振信号的分析提供了一个很好的方法,通过该方法来重建一个受限的中子系综的能谱。该方法利用了由不同能量的存储UCN的引力诱导条纹产生的自旋的相对移相,并且还允许以$1.1~\text{pT/cm}$的异常精度改进垂直磁场梯度的确定。这种新颖的组合,一个著名的核共振方法和引力引起的垂直条纹是独特的核和粒子物理学领域,并应证明是非常宝贵的评估系统的影响,在精密的实验,如搜索的电偶极矩的中子或中子寿命的测量。
2015-09-08 nucl-ex physics.ins-det
Pilot bunch and co-magnetometry of polarized particles stored in a ring
本文提出用被屏蔽的引导束团作为共磁强计,实时跟踪储存环磁场涨落以稳定自旋共振条件,主要用于带电粒子电偶极矩搜索,并对EIC、NICA等未来自旋物理设施具有重要价值。
2023-09-16 hep-ex physics.ins-det
Optimal and efficient inference tools for field tracking with precessing spins
Centre of New Technologies, University of Warsaw(华沙大学新技术中心);AGH University of Kraków(克拉科夫AGH科技大学);Institute of Physics, Polish Academy of Sciences(波兰科学院物理研究所);ICFO - Institut de Ciències Fotòniques, The Barcelona Institute of Science and Technology(ICFO-光子科学研究所,巴塞罗那科学技术研究院);ICREA - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats(加泰罗尼亚研究与高级研究学院)
本文针对自旋进动磁力计的自由感应衰减模式,推导贝叶斯Cramér-Rao界,验证扩展卡尔曼滤波等可高效实现近最优磁场跟踪,方法可适配其他非线性耗散传感器。
2026-08-11 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph