磁场量子传感器（超导量子干涉仪、激光泵浦型原子传感器、金刚石氮-空位色心等）利用量子效应对磁场进行精密测量。激光泵浦型原子传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低和易维护的优点，已成为当前快速发展的一个研究领域。激光泵浦型原子传感器已被应用于核磁共振领域，用来获取物质更精确的核磁共振波谱以及实现特殊条件下对样品的测量。特别地，在延伸至零场-超低场（磁感应强度B<1 μT）的核磁共振研究中，激光泵浦型原子传感器展现出了许多重要应用特性，拓展了人们对生物、化学物质更精细结构的探测和解析能力，进而使得核磁共振测量与研究覆盖了高场（B>1 T）、低场（μT<B<1 T）和零场-超低场（B<1 μT）整个工作磁场范围。本文简要介绍了基于激光泵浦型原子传感器的零场-超低场核磁共振的基本原理和相关技术，包括核磁样品的极化增强（强磁场热极化、激光泵浦极化、动态核极化、仲氢诱导极化等）以及传输、编码和探测等，综述了近几年来基于激光泵浦型原子传感器的核磁共振研究进展，并展望了该技术的发展趋势和应用前景。

核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺, 已受到国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度, 其陀螺精度与磁场的均匀性、稳定性密切相关。导航级核磁共振陀螺需要飞特级磁场环境, 高效磁屏蔽一般仅能完成5~6个数量级的磁抑制, 还需进行主动磁补偿。该文从核磁共振陀螺磁场分布的理论分析出发, 通过数学计算和计算机仿真, 分析和研究了横向磁补偿系统的磁场分布, 并对横向磁补偿线圈进行了优化设计。设计的核磁共振陀螺横向磁补偿系统磁场均匀性较优化前提高约13倍, 满足了核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

孔结构演化对混凝土抗冻性能至关重要, 为研究纳米TiO2对混凝土孔结构及抗冻性能的影响, 本文选取替代率分别为0%、1%、3%、5%(质量分数, 下同)的纳米TiO2混凝土为研究对象, 进行了快冻法试验、抗压强度试验、核磁共振试验及扫描电子显微镜试验。通过纳米TiO2混凝土冻融循环前后质量、动弹模量、抗压强度、孔结构及微观形貌的变化, 评估-18~5 ℃条件下的冻融损伤并分析纳米TiO2对混凝土性能的改善机理; 同时建立抗压强度、相对动弹模量、自由水饱和度及裂缝占比响应模型以确定纳米TiO2的最佳掺量。结果表明: 适量的纳米TiO2可有效改善混凝土微观形貌, 增加混凝土微孔及中孔的比例, 减小大孔及裂缝的比例, 过量的纳米TiO2会使混凝土中大孔和裂缝的比例增大, 不利于混凝土抗冻性能的提高; 纳米TiO2掺量为1%时, 混凝土抗冻性能最佳。基于抗冻性能指标与孔隙测试结果建立响应模型, 确定纳米TiO2最佳掺量接近1%, 这与试验结果相符合。

为探究热活化油页岩半焦对混凝土耐久性的影响, 进一步推广应用油页岩半焦-水泥混凝土, 本文采用混凝土碳化试验、抗氯离子渗透试验以及抗冻性试验, 探究不同活化煅烧温度(300、400、500和600 ℃)与不同掺量(0%、5%、10%、15%、20%和25%, 质量分数)油页岩半焦对混凝土耐久性的影响, 并采用核磁共振(NMR)测试分析混凝土内部孔径分布和孔隙度, 从孔径分布特征揭示油页岩半焦对混凝土耐久性的影响机理。结果表明: 相对于油页岩半焦活化煅烧温度, 油页岩半焦掺量对混凝土耐久性的影响更为显著; 油页岩半焦的掺入会降低混凝土的抗碳化性能, 但25%掺量下仍能满足规范设计值要求, 碳化深度远小于20 mm; 抗氯离子渗透性也会随油页岩半焦的掺入而降低, 掺量不高于25%时仍处于低渗透率区间; 5种油页岩半焦掺量的混凝土均能满足150次的冻融循环要求, 整体而言其具有较好的耐久性; 此外, 油页岩半焦的掺入明显改变了混凝土内部的孔径分布及孔隙数量, 因而对混凝土的耐久性产生不同程度的影响。

利用三量子位Toffoli门等价于两个两量子位控制非门和三个两量子位控制相移门的组合，将每一个控制非门和控制相移门分别用核磁共振脉冲序列及两核自旋系统随时间自由演化算符的组合构成，依据控制非门和控制相移门作用于核自旋系统的顺序，构成量子Toffoli门的核磁共振物理实现，用Suzuki公式数值求解了含时薛定谔方程，验证了量子Toffoli门的核磁共振实现的正确性和可行性。

孔结构是混凝土微观结构中重要的组成部分, 影响着混凝土的宏观性能, 为了研究生活垃圾焚烧灰渣代替天然砂对混凝土孔结构和抗压强度的影响, 通过核磁共振技术对生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土微观孔结构进行测试, 分析了孔隙率和孔隙分布变化规律, 并根据分形理论研究了孔隙分形特征, 获得各孔径区间的分形维数与整体分形维数, 并探讨了各孔径占比、孔隙率和分形维数与抗压强度之间的灰熵关联度。结果表明: 随生活垃圾焚烧灰渣代砂率的增加, 混凝土孔隙率增加, 无害孔占比减小, 抗压强度降低; 分形维数随着生活垃圾焚烧灰渣代砂率的增加而减小, 由于生活垃圾焚烧灰渣具有潜在的水硬性, 随龄期的增长, 分形维数呈增加趋势, 同时孔隙结构得到了优化。灰熵关联度分析发现生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土整体分形维数和无害孔占比对抗压强度影响最大。

为研究高温水泥砂浆在局部水冷作用后的损伤演化特征以及裂纹扩展情况, 在水泥砂浆试件中部钻孔, 将试件加热到200 ℃及400 ℃后向孔洞注水进行局部冷却。采用低场核磁共振技术(NMR)研究水泥砂浆试件在高温及局部水冷作用下的损伤行为。结果表明: 随着热处理温度的升高, 当试件局部水冷后, 小孔的孔径及含量不断增大, 而大孔径变化不是特别明显, 试件的损伤度也相应增大; 同时, 经高温及局部水冷处理后, 试件核磁共振成像灰度值的概率密度分布中的峰随温度的增大向右移动, 且温度越高, 概率密度分布函数对应的灰度值增幅越大, 与T2谱的变化一致。最后, 求解了水泥砂浆试件高温及局部水冷后的温度和温度应力的分布, 并基于最大拉应力准则求解了200 ℃和400 ℃后局部冷却水泥砂浆试件的裂纹萌发及扩展范围。当温度为200 ℃时局部水冷所产的温度应力不足以引起试件裂纹的萌生。

针对目前低场核磁共振技术在水泥基材料应用中普遍存在的数据可靠性、结果稳定性和模型与应用适配性等问题, 通过总结基本理论模型, 结合应用进行了综述。介绍了双组份快速交换模型、Korb模型、信号幅度模型和Gibbs-Thomson模型4个理论模型, 及低场核磁在水泥基材料孔结构表征、物相定量和水分动力学研究中的应用, 指出了模型本征限制条件及其在应用中存在的常见误区。根据水泥基材料的特点, 总结了常用核磁脉冲序列, 提供了推荐参数, 并介绍了相关应用场景。总结了目前技术上的不足之处, 并展望了低场核磁共振技术在水泥基材料领域未来的研究方向。