恒定梯度單邊核磁共振傳感器設(shè)計與應(yīng)用研究_.pdf

1、核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)技術(shù)具備從微觀層面探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性能的獨特優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、生物等領(lǐng)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(dǎo)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(shù)的工程應(yīng)用。
　　針對廉價便攜式NMR設(shè)備的巨大應(yīng)用潛力，本研究設(shè)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(shè)計提出了一套單邊磁體和射頻(RF)線圈的設(shè)計優(yōu)化方法，具體內(nèi)容包括以下幾個方面：
　?、賳芜叴朋w結(jié)構(gòu)設(shè)計。本研究中磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計出一種由五個永磁體塊構(gòu)成的橢圓弧分布的磁體結(jié)構(gòu)，并在此磁體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上

3、采用無源勻場方法進一步提高ROI內(nèi)水平目標(biāo)面上的磁場均勻度；最優(yōu)磁體結(jié)構(gòu)由五塊永磁體和兩個鐵磁極靴構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(shè)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)。
　　③單邊NMR傳感器性能測試實驗。在經(jīng)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(jié)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(zhǔn)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(zhì)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(yīng)用于評估硅橡膠絕緣子傘群材料的老化狀態(tài)

6、，該應(yīng)用是在本課題組前期研究的基礎(chǔ)上，進一步探索了硅橡膠復(fù)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(nèi)樣品的T2long?mean。實驗結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子運行年限越長，縱深方向上老化程度越嚴重，