【摘要】：超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)是一種極為靈敏的磁通探測器,在液氦溫度(4.2 K)下,其磁通靈敏度高達(dá)μΦ_0/√Hz量級。隨著超導(dǎo)量子干涉器件被應(yīng)用到核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)領(lǐng)域,極低場(ultra-low-field,ULF)NMR和MRI相關(guān)的研究受到了廣泛的關(guān)注。不同于傳統(tǒng)高場MRI,ULF MRI的主磁場強(qiáng)度在百μT(10~-4 T)量級。因此,極低場磁共振成像在測量時面臨的主要挑戰(zhàn)是信噪比的提高。為了提高系統(tǒng)成像的信噪比,對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行了升級。具體的措施為采用預(yù)極化線圈系統(tǒng)對樣品進(jìn)行極化取代原有的永磁體極化方案。極低場磁共振系統(tǒng)在升級后,預(yù)極化線圈的存在帶來的射頻噪聲干擾,以及系統(tǒng)電力設(shè)備噪聲已經(jīng)影響到系統(tǒng)的正常工作。為解決這一問題,設(shè)計了屏蔽室系統(tǒng),用來屏蔽噪聲,提高信噪比。首先,我們對比了在自由空間中和舊屏蔽室內(nèi)的磁場噪聲,提出新屏蔽室必須能有效衰減環(huán)境噪聲一半以上。根據(jù)我們提出的目標(biāo),計算與仿真了不同鋁板厚度的屏蔽室屏蔽效能,發(fā)現(xiàn)6 mm厚的鋁屏蔽室符合我們的需求。隨后搭建屏蔽室以及屏蔽室性能測試系統(tǒng),測試結(jié)果滿足設(shè)計要求。另外對比了在自由空間中和屏蔽室內(nèi)頻率為5.9 kHz時,水樣品的信噪比由3提高到20,顯著地提高了測量樣品信號的信噪比。但是由于預(yù)極化線圈需要在極短的時間內(nèi)對線圈進(jìn)行關(guān)斷操作,所以會在屏蔽室的壁上產(chǎn)生渦流進(jìn)而導(dǎo)致渦流雜散磁場,影響系統(tǒng)的工作。針對這一問題,已經(jīng)仿真出能有效補(bǔ)償渦流雜散磁場的線圈系統(tǒng),補(bǔ)償系統(tǒng)可以將渦流場的強(qiáng)度衰減90%以上,同時有效地減少ULF MRI系統(tǒng)的死區(qū)時間,減少渦流對系統(tǒng)的影響。新屏蔽室的應(yīng)用有效地衰減了環(huán)境噪聲,但是對50 Hz工頻諧波噪聲的抑制不夠,以及在無屏蔽室環(huán)境下系統(tǒng)都會面臨工頻噪聲的干擾。為了解決這些問題,我們提出了基于磁場的空間相關(guān)性的極低場磁共振成像工頻噪聲抑制方法。我們利用參考通道與信號通道同時采集信號,補(bǔ)償信號通道中的噪聲分量,有效地消除了成像圖像上的帶狀偽影,提高了圖像的質(zhì)量。論文的最后對本文的工作做了總結(jié)并對下一步工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：中國計量大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O482.53
【圖文】：

對于核自旋量子數(shù) I = 1/2 的核，m 的取值可以為-1/2 和 1/2，能級會塞曼分裂為兩個塞曼能級；對于 I = 3/2 的原子核，m 的取值可為-3/2，-1/2，1/2，3/2 四個塞曼能級。以此類推，原子核又(2I + 1)個塞曼能級。圖 2.3 就是自旋量子數(shù)為 I = 1/2 的核在外磁場中的塞曼能級。對于宏觀樣品，由于樣品自身是由大量原子核組成，外加靜磁場 B0對自旋能級的影響須符合統(tǒng)計學(xué)規(guī)律。因此在熱平衡狀態(tài)下，核自旋角動量在各能級的分布須符合玻爾茲曼分布，即粒子數(shù) N 符合公式(2.6):(2.6)對于單位體積的樣品，其包含了 N 個核自旋，因此其凈磁化強(qiáng)度 M 符合公式(2.7)[18]：(2.7)在磁共振領(lǐng)域中，γ B0/kT 遠(yuǎn)小于 1，那么公式(2.7)可以線性展開

圖 2.4 核磁矩 μ 的進(jìn)動軌跡 軸方向來看， 的核磁矩 μ 會沿著順時針的方向進(jìn)動，而 則會沿著逆時針的方向進(jìn)動。在平衡狀態(tài)下，μ 和 B0的夾角不時的系統(tǒng)能量不會發(fā)生變化，因此無法探測 NMR 信號。如果 軸的方向上加入射頻場 B1，調(diào)整 B1場的方向使之核磁矩μ 的并且是 B1的頻率和拉莫爾頻率相同或者相似，那么核磁矩μ 就1進(jìn)行能量的交換，核磁矩 μ 會發(fā)生章動到與之前的圓錐呈鏡面上。這樣磁化強(qiáng)度 M 也在繞著射頻場 B1的方向以頻率 進(jìn)行。核磁矩 μ 和靜磁場 B0的夾角開始發(fā)生變化，M 在 B0場中的變化，從而對外產(chǎn)生一個核磁信號。觀上看，在熱平衡條件下，根據(jù)式(2.8)，樣品的靜磁化強(qiáng)度 M 獲得最大值 M0，并且保持與靜磁場 B0方向平行。為了可以檢必須使 M 從 B0方向偏離。根據(jù)上文的討論，沿 x 方向引入射頻 μ 和靜磁場 B0之間的夾角會發(fā)生變化，其在宏觀上的變現(xiàn)為

.1.5 自由進(jìn)動信號與自旋回波信號通過 2.1.4 節(jié)的介紹，在脈沖激勵結(jié)束時，會發(fā)生縱向弛豫現(xiàn)象與橫向弛豫象。觀察宏觀磁化強(qiáng)度 M，會發(fā)現(xiàn)其繞著 B0進(jìn)動。其頂端軌跡在弛豫時在間上表現(xiàn)為螺旋形。在弛豫過程中，橫向磁化強(qiáng)度Mxy在xy平面將會以螺旋線形式恢復(fù)到零點(diǎn)。 xy 平面上橫向磁化強(qiáng)度 Mxy的旋轉(zhuǎn)會感生一個射頻波。該信號被稱為自由感信號或者自由感應(yīng)衰減(free induction decay, FID)，其可以被放置在 xy 平面上線圈測量，并可以轉(zhuǎn)換成可測量的電信號：一個以橫向弛豫時間 T2為指數(shù)的弦衰減函數(shù)：(2.15)從上式可以看出自由感應(yīng)信號會隨著磁化強(qiáng)度 Mxy的變化而改變。因為線在xy平面上保持固定，橫向磁化強(qiáng)度Mxy則繞著B0進(jìn)動的同時在不斷減小，以在橫向磁化強(qiáng)度 Mxy指向線圈時，信號為正值；反之，信號為負(fù)值。信號絕對值隨上式呈指數(shù)函數(shù)變化。

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本文編號：2769742