高均匀度核磁共振Halbach磁体研究
发布时间：2020-10-12 08:59
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技术是一种能够从物质微观层面来分析其功能和性质的研究方法,自1946年发现以来饱受科学界关注,发展速度迅猛,在物理化学各个等领域均得到广泛应用。自Halbach永磁体结构的出现以来,为核磁共振领域的研究提供了一种新型永磁体结构,同时也拓展了一个新的研究方向。Halbach磁体结构与传统的C型和回字型永磁体结构相比,其优势在于其体积较小,重量较轻,磁场场强大,而同时存在磁场均匀度不够高,匀场方法研究不够成熟等问题。而本文的研究重点就在于如何提高Halbach磁体的均匀度,使其克服现有的限制从而实现更广泛深入的应用。高均匀度核磁共振Halbach磁体研究的内容主要包括两个大的方面,即Halbach核磁共振磁体结构以及匀场方法研究,具体内容包括以下几个方面:(1)Halbach核磁共振磁体结构的设计及优化。本研究利用电磁场有限元仿真对传统Halbach磁体结构进行设计优化,通过研究磁体结构参数对目标区域磁场均匀度的影响,最终设计并制作出8环Halbach核磁共振磁体,其尺寸为Φ350mm×H580mm,中心频率为9.28MHz,在直径40mm的球形区域内仿真均匀度为137ppm,而实测均匀度为388ppm。(2)静态磁场谐波分析及无源匀场。首先根据电磁场理论以及数学推导将磁场进行谐波分析,匀场工作的本质就是去除高次谐波,为后续匀场工作提供理论基础。将由于加工误差等因素引起的磁场不均匀消除,本文采用Halbach磁体内壁粘贴铁磁性匀场铁片的方法对主磁场进行了无源匀场工作,匀场后直径40mm的球形目标区域内磁场均匀度由388ppm提高到62ppm。(3)Halbach核磁共振磁体的匀场线圈设计。由于Halbach磁体主磁场方向垂直于轴向,传统的用于超导磁体系统的目标场法线圈设计不再适用本文。因此,本文首先介绍的目标场法以及流函数的概念,并详细介绍了谐波系数法和磁偶极子法这两种典型的线圈设计方法,针对本文研究情况,选择谐波系数法进行匀场线圈设计及仿真,制作8路匀场线圈X、Y、Z、XY、XZ、YZ、X~2-Y~2和2Z~2-X~2-Y~2,并对其产生的磁场进行了测量。另外根据Halbach磁体的主磁场方向,射频线圈选择采用简单的螺线管线圈,并且还对螺线管线圈进行了优化设计。(4)实验研究。首先简要介绍了本文的Halbach核磁共振磁体系统构成和样品选取。接着进行了以下验证性实验:1)纯水样品核磁共振信号频谱测量。利用本文设计的Halbach核磁共振磁体,分别在匀场前、无源匀场后以及有源匀场后的状态下测量纯水样品的核磁共振频谱信号。2)纯水样品的T_2测量。本研究在匀场前、无源匀场后以及有源匀场后的状态下测量纯水样品的CPMG衰减信号,得到其横向弛豫时间T_2的变化情况。(1)通过纯水核磁共振频谱信号测量实验可以发现,有源匀场中其中一阶线圈对频谱整体影响较大,二阶线圈对于频谱细节影响比较大,加上8路匀场线圈后,Halbach磁体均匀度由388ppm提高到27ppm。(2)通过测量CPMG回波衰减信号,可以拟合得到横向弛豫时间T_2,随着磁场均匀度的提升,样品的横向弛豫时间T_2逐渐增大,回波信号衰减变慢。通过上述的验证性实验表明本论文研制的高均匀Halbach核磁共振磁体性能优越,同时匀场方法真实可行并且效果显著。但仍有许多有待改进的地方,例如,进一步优化匀场线圈和射频线圈结构,利用Halbach磁体进行更深入的实验研究等。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O482.532
【部分图文】：
1.2.1 Halbach 磁体研究现状在核磁共振领域，日本的 Hitachi、美国的 IBM 等从事与 MRI 和量子计算技术的公司曾注册了一些关于 Halbach 阵列的专利，也出现了一些磁场强度可调的改进型 Halbach 阵列[13]。随着近些年来进一步的发展，一些改进型 Halbach 阵列被提出。这其中在核磁共振领域最具代表性的 Halbach 磁体是由瑞士贝塞尔大学 G.Moresi[14]、德国马克思—普朗克学会的 P. Blümler[15]以及德国亚琛工业大学 B.Blümich[16]等人分别设计的几种基于便携式核磁共振仪器的 Halbach 磁体阵列。2003 年瑞士贝塞尔大学 G. Moresi 教授[14]设计了一款由8块圆柱型磁块和两个铁片构成的 Halbach 磁体结构。两个高磁导率的铁板是用来提供一个均匀材料分解面来提高静态磁场的均匀度。铁板固定在铝壳上在平板在 x，y，z 方向上扫描使用四个螺丝通过优化调整其平行度和间隔距离，最后在 3×3×5mm3的目标区域内均匀度为 20ppm，其中心磁强为 0.596T。整个磁体结构尺寸为直径 90mm，高度230mm。该磁体结构目标区域均匀度较高但是其大小相对于磁体来说太小，同时磁体空腔尺寸太小限制了样品的尺寸。
图 1.2 Blümler 设计的三明治型 Halbach 磁体.2 Sandwich type Halbach magnet designed by 工业大学 B. Blümich 教授[16]在 Blü了进一步的改进，提出了一种用于岩h 磁环如图 1.3(a)所示沿半径方向距离增域均匀度将会增大 10 倍。其实物磁场磁环构成，间距为 10mm，每个磁环包0mm，在内直径为 140mm，外直径为 26为 20mm 的圆柱体目标区域内场强。为了自动测量岩心孔隙率，配有滑动
图 1.2 Blümler 设计的三明治型 Halbach 磁体Fig. 1.2 Sandwich type Halbach magnet designed by Blümler2007 年德国亚琛工业大学 B. Blümich 教授[16]在 Blümler 教授的基础上对Halbach 阵列结构进行了进一步的改进，提出了一种用于岩心分析的 Halbach 磁体阵列。如果将 Halbach 磁环如图 1.3(a)所示沿半径方向距离增大 5mm，则均匀区域将会变大，且目标区域均匀度将会增大 10 倍。其实物磁场结构如 1.3(b)所示，其结构由两个 Halbach 磁环构成，间距为 10mm，每个磁环包含 3 层 16 磁棒，单元磁棒尺寸为 30×30×30mm，在内直径为 140mm，外直径为 260mm，高度为 80mm，在直径为 20mm，高为 20mm 的圆柱体目标区域内场强为 0.22T，均匀度为0.05T/m(约为 0.45%)。为了自动测量岩心孔隙率，配有滑动平台的 Halbach 磁体扫描仪如图 1.3(c)所示。
【参考文献】
本文编号：2837921
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O482.532
【部分图文】：
1.2.1 Halbach 磁体研究现状在核磁共振领域，日本的 Hitachi、美国的 IBM 等从事与 MRI 和量子计算技术的公司曾注册了一些关于 Halbach 阵列的专利，也出现了一些磁场强度可调的改进型 Halbach 阵列[13]。随着近些年来进一步的发展，一些改进型 Halbach 阵列被提出。这其中在核磁共振领域最具代表性的 Halbach 磁体是由瑞士贝塞尔大学 G.Moresi[14]、德国马克思—普朗克学会的 P. Blümler[15]以及德国亚琛工业大学 B.Blümich[16]等人分别设计的几种基于便携式核磁共振仪器的 Halbach 磁体阵列。2003 年瑞士贝塞尔大学 G. Moresi 教授[14]设计了一款由8块圆柱型磁块和两个铁片构成的 Halbach 磁体结构。两个高磁导率的铁板是用来提供一个均匀材料分解面来提高静态磁场的均匀度。铁板固定在铝壳上在平板在 x，y，z 方向上扫描使用四个螺丝通过优化调整其平行度和间隔距离，最后在 3×3×5mm3的目标区域内均匀度为 20ppm，其中心磁强为 0.596T。整个磁体结构尺寸为直径 90mm，高度230mm。该磁体结构目标区域均匀度较高但是其大小相对于磁体来说太小，同时磁体空腔尺寸太小限制了样品的尺寸。
图 1.2 Blümler 设计的三明治型 Halbach 磁体.2 Sandwich type Halbach magnet designed by 工业大学 B. Blümich 教授[16]在 Blü了进一步的改进，提出了一种用于岩h 磁环如图 1.3(a)所示沿半径方向距离增域均匀度将会增大 10 倍。其实物磁场磁环构成，间距为 10mm，每个磁环包0mm，在内直径为 140mm，外直径为 26为 20mm 的圆柱体目标区域内场强。为了自动测量岩心孔隙率，配有滑动
图 1.2 Blümler 设计的三明治型 Halbach 磁体Fig. 1.2 Sandwich type Halbach magnet designed by Blümler2007 年德国亚琛工业大学 B. Blümich 教授[16]在 Blümler 教授的基础上对Halbach 阵列结构进行了进一步的改进，提出了一种用于岩心分析的 Halbach 磁体阵列。如果将 Halbach 磁环如图 1.3(a)所示沿半径方向距离增大 5mm，则均匀区域将会变大，且目标区域均匀度将会增大 10 倍。其实物磁场结构如 1.3(b)所示，其结构由两个 Halbach 磁环构成，间距为 10mm，每个磁环包含 3 层 16 磁棒，单元磁棒尺寸为 30×30×30mm，在内直径为 140mm，外直径为 260mm，高度为 80mm，在直径为 20mm，高为 20mm 的圆柱体目标区域内场强为 0.22T，均匀度为0.05T/m(约为 0.45%)。为了自动测量岩心孔隙率，配有滑动平台的 Halbach 磁体扫描仪如图 1.3(c)所示。
【参考文献】
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2 张广才;刘朝阳;陈巧燕;陈方;杨晓冬;;磁共振用Halbach永磁阵列的仿真分析[J];华南理工大学学报(自然科学版);2014年03期
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本文编号：2837921
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