基于回波感应原理的流水式核磁共振磁场测量方法与系统研究

发布时间：2020-08-28 05:46

【摘要】：核磁共振磁强计利用质子共振频率与磁感应强度的线性关系进行磁感应强度的测量,具备1n T的测量精度。但受弱场环境下信噪比低的限制,其测量范围一般不低于20mT。一些新型方法如原子磁力计、量子干涉仪等可以达到1f T的超高测量精度,但仅适用于0.1mT以下近零磁场的测量。为实现0.1mT~20mT磁场的高精度测量,本文研究了一种流水式核磁共振磁强计,通过预极化技术提升了核磁共振磁强计的弱场测量能力,并基于回波感应原理实现了纵向磁化矢量的测量,提高了系统信噪比和可靠性。本文的研究内容主要包括:(1)对流水式核磁共振磁强计的测量原理进行详细阐述和量化分析;(2)通过分析自差式接收机和感应式接收机的工作原理,提出结合CPMG序列,通过回波感应进行纵向磁化矢量检测的方法;(3)通过构建吸收峰尖锐程度的数学模型,量化分析了各项系统参数对测量结果的影响;(4)完成了整套流水式核磁共振磁强计的系统设计,包含1.31T的Halbach型极化磁体、0.182T的回字形检测磁体、马鞍形激励线圈、螺线管检测线圈、控制电路和上位机软件。其中,控制电路包括以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的信号检测电路和以单片机(STM32)为核心的总体控制电路两部分,前者通过对回波信号的数字解调和对脉冲信号的数字调制等技术手段实现了射频脉冲收发器的数字化设计,并通过提取可重复序列模型实现一种通用性更强的列表式序列控制器;后者通过压控恒流源、SDRAM数据存储等技术手段完成了射频激励、流速控制、数据传输等功能的高效协调。实验结果表明,回波感应法对纵向磁化矢量的检测具有更好的可靠性和稳定性;预极化处理使核磁共振回波信号强度提高了5.78倍;引入修正系数(受被测磁场均匀度影响)后的拟合方程与测量数据高度吻合,提高了测量速度和测量精度;激励强度和流速对测量曲线具有显著影响,合理优化系统结构可以获得更加尖锐的测量曲线吸收峰。最终,通过该方法实现0.136mT~1.215mT磁感应强度的测量,测量精度优于0.1μT,证明了该方法对弱磁场的精确测量能力。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM936
【图文】：

脉冲法,核磁共振

图 1.1 脉冲法核磁共振磁强计测量探头Fig. 1.1 Probe of the pulse method magnetic resonance magnetometer..1 展示了一种脉冲法核磁共振磁强计的多通道测量探头，其中，能量的发射和回波信号的接收，测量时，要首先采用高斯计等区域的中心场强，并根据其所对应的拉莫尔进动频率修改匹配电谐振状态，然后将其置于待测磁场中，通过给予射频线圈一个发质子的共振跃迁，并迅速检测其辐射出的回波信号，通过傅谱分布，进而计算出场强分布，如图 1.2 所示。

频谱,脉冲法,核磁共振,回波信号

图 1.1 脉冲法核磁共振磁强计测量探头Fig. 1.1 Probe of the pulse method magnetic resonance magnetometer.图 1.1 展示了一种脉冲法核磁共振磁强计的多通道测量探头，其中，匹配电路用于射频能量的发射和回波信号的接收，测量时，要首先采用高斯计等常规方法获取待测区域的中心场强，并根据其所对应的拉莫尔进动频率修改匹配电路参数，令其达到谐振状态，然后将其置于待测磁场中，通过给予射频线圈一个窄带射频信号，激发质子的共振跃迁，并迅速检测其辐射出的回波信号，通过傅里叶分析得到其频谱分布，进而计算出场强分布，如图 1.2 所示。

核磁共振,质子磁力仪,加拿大

1 绪论范围取决于谐振回路的 Q 值，Q 值越小，测量范围越大，因此，脉冲法核磁共振磁强计在面对不同场强测量需求时这为测量带来极大不便，此外，为获得更好的回波信号，低于 20mT，但受益于其优异的测量精度，该方法被广泛应均匀度及波动情况的测定。展该方法的应用价值，结合静态预极化技术发展出来的质探领域发挥了重要作用，如图 1.3 所示。自然界的岩石和矿产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部地区发生变化旋进磁力仪通过一组电磁线圈产生一个较大的静态磁场对地磁场环境中完成脉冲波法的磁场测量，从而检测出这种力仪一定程度上拓展了连续波法的测量下限，但并未改变低场信噪比差的缺点，因此仅适用于地磁场波动的测量。

【参考文献】