恒定梯度單邊核磁共振傳感器設計與應用研究_.pdf

1、核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)技術具備從微觀層面探索物質結構及其性能的獨特優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應用于地質、醫(yī)學、化學、生物等領域，但傳統(tǒng)的NMR儀器不僅笨重、昂貴，而且磁體系統(tǒng)環(huán)抱著靈敏區(qū)域(RegionOfInterest,ROI)導致該儀器空間開放性差，這些特點很大程度上阻礙了NMR技術的工程應用。
　　針對廉價便攜式NMR設備的巨大應用潛力，本研究設計出一種低場小型化單邊NMR傳感器，該傳感器

2、不僅體積小、造價低，而且ROI位于磁體外部，解除了對被測物體積大小的限制。
　　本論文是從電磁場的理論出發(fā)，針對單邊NMR傳感器的設計提出了一套單邊磁體和射頻(RF)線圈的設計優(yōu)化方法，具體內容包括以下幾個方面：
　?、賳芜叴朋w結構設計。本研究中磁體結構的設計屬于靜磁場的逆問題，在給定ROI磁場分布的條件下，采用二階有限元方法計算永磁體的靜態(tài)磁場分布，設計出一種由五個永磁體塊構成的橢圓弧分布的磁體結構，并在此磁體結構的基礎上

3、采用無源勻場方法進一步提高ROI內水平目標面上的磁場均勻度；最優(yōu)磁體結構由五塊永磁體和兩個鐵磁極靴構成，尺寸為10mm×10mm的最優(yōu)水平面位于距離磁體表面1.9mm高度處，該面內兩條中線上的磁場均勻度高達338ppm；垂直方向上，距離磁體表面0.15mm至3.15mm的高度范圍內磁場實測值由144.387mT減小為130.603mT，具備4.6T/m的恒定梯度。
　?、谏漕l線圈的設計。針對單邊NMR系統(tǒng)信噪比(SignaltoN

4、oiseRatio,SNR)較差的缺點，提出以空間均勻性和信噪比為優(yōu)化參數(shù)的平面矩形螺旋線圈的優(yōu)化方法，實現(xiàn)了在給定均勻區(qū)域范圍的前提下，使得射頻線圈的SNR最優(yōu)。
　?、蹎芜匩MR傳感器性能測試實驗。在經過優(yōu)化得到的單邊NMR傳感器上進行以下性能測試實驗：1)射頻線圈的SNR測試：通過實驗中測量的NMR信號的幅值與噪聲信號幅值之比表征射頻線圈的SNR，通過比較不同線圈的測量信號，檢驗仿真結果的正確與否；2)靜磁場的測量：本研究采

5、用一種基于FFT的NMR回波信號分析方法對單邊磁場的水平均勻度及縱向梯度給出了準確的測量；3)橫向弛豫時間(T2)的測量：通過測量橡皮橫向弛豫信號的質量檢驗單邊NMR傳感器的性能；4)縱向分辨率的測量；5)一維分層實驗：測量浸油棉紙和蓋玻片相間疊放的樣品的頻率一維分布譜，并從中計算實驗樣品厚度與真實厚度之間的差別；性能測試實驗很好的證明了該單邊NMR傳感器的優(yōu)良性能。
　　本研究中將該傳感器應用于評估硅橡膠絕緣子傘群材料的老化狀態(tài)

6、，該應用是在本課題組前期研究的基礎上，進一步探索了硅橡膠復合絕緣子傘群在縱深方向上的老化規(guī)律，提出了縱深分層實驗的測量方法以及數(shù)據(jù)處理方法，通過一維縱向運動步進電機精確控制ROI透入樣品的測量深度，沿縱深方向上對絕緣子樣品進行逐層測量，采用基于快速傅里葉變換（FastFourierTransform,FFT）的帶通濾波方法提取每層50μm厚度內樣品的T2long?mean。實驗結果表明，復合絕緣子運行年限越長，縱深方向上老化程度越嚴重，