基于83Kr的原子联合磁力计在运动相关脑磁图（MEG）中的理论研究综合报告

作者与机构及发表信息

该研究的主要作者包括 Yao Chen、Ruyang Guo、Jiyang Wang、Mingzhi Yu、Man Zhao 和 Libo Zhao，作者均隶属于西安交通大学仪器科学与技术学院。本研究于2023年11月24日发表在期刊《Photonics》，文章标题为《Theoretical Study on Performing Movement-Related MEG with 83Kr-Based Atomic Comagnetometer》，DOI: https://doi.org/10.3390/photonics10121302。这篇文章是一篇关于基于83Kr原子的联合磁力计在运动相关脑磁图中的应用潜力与实现方法的理论性研究。

研究背景及动机

脑磁图（Magnetoencephalography，MEG）是一种非侵入性的大脑功能成像技术，在癫痫定位、脑网络研究、脑功能外科定位、早期阿尔茨海默症诊断等多个领域有着广泛应用。然而，传统的MEG设备大多基于超导量子干涉器件（SQUIDs），需要沉浸在液氦中才能正常工作，其体积庞大、对环境磁场干扰敏感，且限制了头部自由运动，不利于研究运动相关的脑活动。

近年来，基于光泵磁力计（Optically Pumped Magnetometer, OPM）的技术发展使得便携式、可穿戴式MEG设备成为可能，这些设备可以在室温下工作并达到与SQUID磁力计相当的灵敏度。然而，目前的OPM技术尚需在磁场屏蔽环境下才能有效抑制地磁场和环境磁场波动。此外，大多数现有的运动相关MEG方法都依赖于复杂的空间线圈补偿系统，难以实现高精度的磁场补偿，且体积大、传感器容易出现过补偿或不足补偿问题。

针对这些问题，本研究创新性地提出了一种基于83Kr核自旋磁场补偿的联合磁力计系统，旨在提供一种简化且高效的运动相关MEG磁场补偿方法。

研究流程与方法

1. 83Kr联合磁力计的配置与关键物理参数研究

研究首先研究了基于83Kr的联合磁力计的配置。在物理理论和实验模拟的基础上，研究了影响核自旋极化率和弛豫率的多个重要参数：

• 83Kr的弛豫过程
  83Kr的核自旋弛豫主要受以下两种因素影响：气体原子之间的碰撞及气体与容器壁之间的相互作用。研究通过文献提供的经验公式对弛豫时间进行建模，分析了弛豫率与温度、83Kr密度和Rb原子密度的关系。

• 核自旋极化计算
  通过自旋交换光泵过程，将电子自旋极化转移至核自旋，研究得出了核自旋极化率与温度之间的关系，并发现温度是影响极化率的重要因素。文章给出了核自旋极化的计算公式，并进行了数值模拟。研究发现，核自旋极化率在420K左右达到较高的值，表明联合磁力计的最佳工作温度为420K。

• 核自旋产生的磁场补偿能力模拟
  由于核自旋极化可以产生磁场，研究模拟了不同温度下基于Fermi接触相互作用（Fermi Contact Interaction）的核自旋感应磁场，结果表明核自旋磁场可显著补偿环境背景场波动。

2. 系统灵敏度优化与压制效应

文章对联合磁力计系统的灵敏度进行了研究，分析了Rb自旋弛豫、压制系数和核磁场补偿对系统整体灵敏度的影响：

• Rb弛豫分析
  Rb原子电子自旋通过多种碰撞过程（如Rb与N2缓冲气体、Rb与83Kr的碰撞）导致弛豫，其总弛豫率直接影响磁力计灵敏度。文章对这些弛豫过程进行了系统模拟，计算了不同温度下的弛豫率，并讨论了Rb与83Kr对三体碰撞机制的影响。

• 灵敏度估算
  通过公式推导得出磁力计的基本灵敏度表达式，发现即便在极小的传感器体积（如0.002 cm³）条件下，灵敏度可达到10 fT/√Hz。同时，压制系数的存在能有效降低某些方向上的系统噪声，提高灵敏度。

3. 混合光泵蒸气室的制备工艺

研究中，作者开发了一种基于Potassium（钾，K）和Rubidium（铷，Rb）混合光泵技术的蒸气室制备方法。混合光泵可有效提高核自旋极化效率，研究详细介绍了混合金属的制备及蒸气室气体填充过程：

• K-Rb混合制备
  通过在手套箱内制备特定比例的K-Rb混合金属，调整混合物的摩尔分数比例（Mole Fraction Ratio, MFR），以优化蒸气室中K与Rb的密度比。研究还开发了特殊的“追逐填充”方法，以确保混合后金属比符合预设值。

• 气体填充与密封技术
  利用真空系统及液氮冷却装置将83Kr和N2等气体填充至蒸气室。研究通过理想气体方程精确计算填充气体的最终压力，并详细描述了防止气体泄漏及蒸气室密封的操作流程。

研究主要结果

该研究的模拟与理论计算得出了以下主要结果： 1. 核自旋弛豫与极化率：83Kr的核自旋极化率在高温环境下明显增强（420K极化率可达约0.4），弛豫时间可以达到500秒。 2. 磁场补偿范围：核自旋产生的补偿磁场约为700 nT，可有效补偿背景磁场波动。 3. 设备灵敏度：在小体积（0.002 cm³）条件下，磁力计灵敏度可达到或超过10 fT/√Hz，空间分辨率较高。 4. 压制效应效果：低频环境磁场波动的抑制因子约为3，对高频脑磁场信号的敏感性保持较佳水平。

研究的科学与实际意义

本研究的意义在以下几个方面： 1. 科学意义：基于83Kr的联合磁力计为运动相关脑磁图提供了一种可能性更高的磁场补偿技术，确立了83Kr在核自旋极化中的优势，为未来设计高灵敏度、小型化设备铺平了道路。 2. 实际应用价值：研究成果对阿尔兹海默症早诊及癫痫手术定位等临床场景；以及对脑运动、视觉—运动整合领域的认知神经研究均具有潜在影响。 3. 设备制造潜力：通过MEMS技术，将来可将新型蒸气室和微型装置集成为芯片规模，进一步推动便携式、可穿戴脑磁场监测设备的研发。

研究方法与技术的亮点

1. 创新核磁场补偿方法：核自旋磁场的补偿能力避免了复杂空间线圈设计，简化设备体积和结构。
2. 混合光泵技术（Hybrid Optical Pumping）：显著提高了核自旋的极化效率，降低了设备对气体和环境条件的依赖性。
3. 模拟与实验的完整性：从物理建模到气体填充及设备制造的全流程技术提供了对实验实现的详细指导。

总结

文章从理论上设计并模拟了一种新型基于83Kr核自旋补偿的联合磁力计，展示了其在运动相关脑磁图研究中的巨大潜力。结合创新性的光泵技术、简化的设备制造流程及优化的灵敏度，其不仅是对于运动相关MEG设备设计的重要贡献，同时为磁力计的工程化、小型化和多领域应用提供了新方案。