核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技術(shù)是一種能夠從物質(zhì)微觀層面來分析其功能和性質(zhì)的研究方法,自1946年發(fā)現(xiàn)以來飽受科學界關(guān)注,發(fā)展速度迅猛,在物理化學各個等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。自Halbach永磁體結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)以來,為核磁共振領(lǐng)域的研究提供了一種新型永磁體結(jié)構(gòu),同時也拓展了一個新的研究方向。Halbach磁體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的C型和回字型永磁體結(jié)構(gòu)相比,其優(yōu)勢在于其體積較小,重量較輕,磁場場強大,而同時存在磁場均勻度不夠高,勻場方法研究不夠成熟等問題。而本文的研究重點就在于如何提高Halbach磁體的均勻度,使其克服現(xiàn)有的限制從而實現(xiàn)更廣泛深入的應(yīng)用。高均勻度核磁共振Halbach磁體研究的內(nèi)容主要包括兩個大的方面,即Halbach核磁共振磁體結(jié)構(gòu)以及勻場方法研究,具體內(nèi)容包括以下幾個方面:(1)Halbach核磁共振磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化。本研究利用電磁場有限元仿真對傳統(tǒng)Halbach磁體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化,通過研究磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對目標區(qū)域磁場均勻度的影響,最終設(shè)計并制作出8環(huán)Halbach核磁共振磁體,其尺寸為Φ350mm×H580mm,中心頻率為9.28MHz,在直徑40mm的球形區(qū)域內(nèi)仿真均勻度為137ppm,而實測均勻度為388ppm。(2)靜態(tài)磁場諧波分析及無源勻場。首先根據(jù)電磁場理論以及數(shù)學推導將磁場進行諧波分析,勻場工作的本質(zhì)就是去除高次諧波,為后續(xù)勻場工作提供理論基礎(chǔ)。將由于加工誤差等因素引起的磁場不均勻消除,本文采用Halbach磁體內(nèi)壁粘貼鐵磁性勻場鐵片的方法對主磁場進行了無源勻場工作,勻場后直徑40mm的球形目標區(qū)域內(nèi)磁場均勻度由388ppm提高到62ppm。(3)Halbach核磁共振磁體的勻場線圈設(shè)計。由于Halbach磁體主磁場方向垂直于軸向,傳統(tǒng)的用于超導磁體系統(tǒng)的目標場法線圈設(shè)計不再適用本文。因此,本文首先介紹的目標場法以及流函數(shù)的概念,并詳細介紹了諧波系數(shù)法和磁偶極子法這兩種典型的線圈設(shè)計方法,針對本文研究情況,選擇諧波系數(shù)法進行勻場線圈設(shè)計及仿真,制作8路勻場線圈X、Y、Z、XY、XZ、YZ、X~2-Y~2和2Z~2-X~2-Y~2,并對其產(chǎn)生的磁場進行了測量。另外根據(jù)Halbach磁體的主磁場方向,射頻線圈選擇采用簡單的螺線管線圈,并且還對螺線管線圈進行了優(yōu)化設(shè)計。(4)實驗研究。首先簡要介紹了本文的Halbach核磁共振磁體系統(tǒng)構(gòu)成和樣品選取。接著進行了以下驗證性實驗:1)純水樣品核磁共振信號頻譜測量。利用本文設(shè)計的Halbach核磁共振磁體,分別在勻場前、無源勻場后以及有源勻場后的狀態(tài)下測量純水樣品的核磁共振頻譜信號。2)純水樣品的T_2測量。本研究在勻場前、無源勻場后以及有源勻場后的狀態(tài)下測量純水樣品的CPMG衰減信號,得到其橫向弛豫時間T_2的變化情況。(1)通過純水核磁共振頻譜信號測量實驗可以發(fā)現(xiàn),有源勻場中其中一階線圈對頻譜整體影響較大,二階線圈對于頻譜細節(jié)影響比較大,加上8路勻場線圈后,Halbach磁體均勻度由388ppm提高到27ppm。(2)通過測量CPMG回波衰減信號,可以擬合得到橫向弛豫時間T_2,隨著磁場均勻度的提升,樣品的橫向弛豫時間T_2逐漸增大,回波信號衰減變慢。通過上述的驗證性實驗表明本論文研制的高均勻Halbach核磁共振磁體性能優(yōu)越,同時勻場方法真實可行并且效果顯著。但仍有許多有待改進的地方,例如,進一步優(yōu)化勻場線圈和射頻線圈結(jié)構(gòu),利用Halbach磁體進行更深入的實驗研究等。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O482.532
【部分圖文】：

1.2.1 Halbach 磁體研究現(xiàn)狀在核磁共振領(lǐng)域，日本的 Hitachi、美國的 IBM 等從事與 MRI 和量子計算技術(shù)的公司曾注冊了一些關(guān)于 Halbach 陣列的專利，也出現(xiàn)了一些磁場強度可調(diào)的改進型 Halbach 陣列[13]。隨著近些年來進一步的發(fā)展，一些改進型 Halbach 陣列被提出。這其中在核磁共振領(lǐng)域最具代表性的 Halbach 磁體是由瑞士貝塞爾大學 G.Moresi[14]、德國馬克思—普朗克學會的 P. Blümler[15]以及德國亞琛工業(yè)大學 B.Blümich[16]等人分別設(shè)計的幾種基于便攜式核磁共振儀器的 Halbach 磁體陣列。2003 年瑞士貝塞爾大學 G. Moresi 教授[14]設(shè)計了一款由8塊圓柱型磁塊和兩個鐵片構(gòu)成的 Halbach 磁體結(jié)構(gòu)。兩個高磁導率的鐵板是用來提供一個均勻材料分解面來提高靜態(tài)磁場的均勻度。鐵板固定在鋁殼上在平板在 x，y，z 方向上掃描使用四個螺絲通過優(yōu)化調(diào)整其平行度和間隔距離，最后在 3×3×5mm3的目標區(qū)域內(nèi)均勻度為 20ppm，其中心磁強為 0.596T。整個磁體結(jié)構(gòu)尺寸為直徑 90mm，高度230mm。該磁體結(jié)構(gòu)目標區(qū)域均勻度較高但是其大小相對于磁體來說太小，同時磁體空腔尺寸太小限制了樣品的尺寸。

圖 1.2 Blümler 設(shè)計的三明治型 Halbach 磁體.2 Sandwich type Halbach magnet designed by 工業(yè)大學 B. Blümich 教授[16]在 Blü了進一步的改進，提出了一種用于巖h 磁環(huán)如圖 1.3(a)所示沿半徑方向距離增域均勻度將會增大 10 倍。其實物磁場磁環(huán)構(gòu)成，間距為 10mm，每個磁環(huán)包0mm，在內(nèi)直徑為 140mm，外直徑為 26為 20mm 的圓柱體目標區(qū)域內(nèi)場強。為了自動測量巖心孔隙率，配有滑動

圖 1.2 Blümler 設(shè)計的三明治型 Halbach 磁體Fig. 1.2 Sandwich type Halbach magnet designed by Blümler2007 年德國亞琛工業(yè)大學 B. Blümich 教授[16]在 Blümler 教授的基礎(chǔ)上對Halbach 陣列結(jié)構(gòu)進行了進一步的改進，提出了一種用于巖心分析的 Halbach 磁體陣列。如果將 Halbach 磁環(huán)如圖 1.3(a)所示沿半徑方向距離增大 5mm，則均勻區(qū)域?qū)兇螅夷繕藚^(qū)域均勻度將會增大 10 倍。其實物磁場結(jié)構(gòu)如 1.3(b)所示，其結(jié)構(gòu)由兩個 Halbach 磁環(huán)構(gòu)成，間距為 10mm，每個磁環(huán)包含 3 層 16 磁棒，單元磁棒尺寸為 30×30×30mm，在內(nèi)直徑為 140mm，外直徑為 260mm，高度為 80mm，在直徑為 20mm，高為 20mm 的圓柱體目標區(qū)域內(nèi)場強為 0.22T，均勻度為0.05T/m(約為 0.45%)。為了自動測量巖心孔隙率，配有滑動平臺的 Halbach 磁體掃描儀如圖 1.3(c)所示。
【參考文獻】

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本文編號：2837921