生物磁场及其测量

磁场与生物学

生物和磁场的相互作用，包括磁场的生物学效应和生物对磁场的感知与利用机制。基于这个多学科交叉融合研究领域发展起来的应用技术有磁共振成像和磁控技术等。生物磁学也为人类神经科学贡献了一些最常用的技术，如脑磁图（magnetoencephalography, MEG），经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）。

磁性传感器

使生物磁场测量取得重大突破的是在1970年左右开发的SQUID磁通计。SQUID可以在宏观尺度实现亚飞特斯拉的灵敏度。SQUID是“超导量子干涉器件：superconducting quantum interference device”的英文缩写，它是使利用超导体的线圈部分部位带有约瑟夫森结的磁性传感器。约瑟夫森结器件原本是开发用于提高计算机处理速度的运算器件，但由于其对于磁性的灵敏度极高，因此被运用在高灵敏度磁通计中。通过SQUID磁通计不仅能够测量伴随心脏活动所产生的心磁场，同时还可以测量肌磁场、脑磁场。当前医院所使用的脑部与心脏诊断技术——脑磁图和心磁图，绝大多数都是利用超导量子干涉器件(SQUID)技术获得磁场数据，是目前最敏感的磁传感器。其他磁传感器包括光学泵浦磁强计（OPM）、玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）和NV色心系综等二十几种磁传感器。

各类磁性传感器及大致测量范围

法拉第旋光脉冲磁场测试系统

旋光效应装置用于法拉第旋光效应的深入研究，提升磁共振信号质量，从而提高光泵磁强计的灵敏度。

旋光效应装置包含激光器、偏振及光路模块、旋光模块和平衡光电探测器，整体结构如图所示。其中，激光器可出射连续激光。偏振及光路模块包含偏振片、反射镜、格林泰勒棱镜、沃拉斯顿棱镜：偏振片1用于出射激光偏振方向的选择，偏振片2用于恒定磁场线圈内部旋光晶体偏振方向的检测；反射镜用于激光传输方向的偏转；格林泰勒棱镜用于激光入射磁体前的偏振纯化；沃拉斯顿棱镜可将混合偏振光分成两束单偏振光。旋光模块包含TGG晶体、恒定磁场线圈、脉冲磁体、1°反射镜：磁场线圈通以电流产生磁场，激光经过TGG晶体后其偏振方向发生偏转，1°反射镜用于脉冲磁体内部激光的反射。平衡光电探测器用于单偏振光的接收及信号处理。

旋光效应装置组成结构示意图

主要性能指标

• 激光器出射激光为连续激光，波长659nm；

• 入射TGG晶体1的激光为高纯度偏振光；

• TGG晶体分20mm/1mm尺寸设计，以满足实验情况需求；

• 1°反射镜能将光束从脉冲磁体反射出射；

• 沃拉斯顿棱镜出射的单偏振光精准地入射到平衡光电探测器的接收区域。

• 恒定磁场线圈结构设计合理，确保相应磁场的生成。

精密旋转磁场标定装置

精密旋转磁场标定装置