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1、第28卷第2期核电子学与探测技术Vol.28No.22008年3月NuclearElectronics&DetectionTechnologyMarch2008低场脉冲核磁共振仪探头的研制12郑传行,张一鸣(1.贵州财经学院信息学院,贵阳550004;2.北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100022)摘要:探头是低场脉冲核磁共振仪中最灵敏的重要部件。与其他类型的探头相比,采用螺线管线圈的探头能获得高Q(品质因素)值与良好的磁场均匀性。本文通过对螺线管探头电路的分析,推导出了设计制作
2、此类探头的理论公式,并以此设计制作了高品质的探头,同时对于设计中高性能元器件的选型以及探头的调试方法给出了详细的说明。关键词:低场脉冲核磁共振;品质因数;均匀磁场;螺线管中图分类号:TH841文献标识码:A文章编号:02580934(2008)02023305核磁共振是研究原子核磁性的一门学科,路与系统的设计要求更高。尤其对关系到整个早在1924年Pauli就从原子核外电子的超精系统的准确度、灵敏度等性能的关键部件探头细结构预测到某些原子核应该具有自旋角动量的设计,提出了更精密的要求。和磁矩
3、,并且在外磁场的作用下,磁矩和磁场相相对而言,低场脉冲核磁共振仪的探头与互作用,使原子核的能级发生分裂,因此在适当仪器的其他部分是隔开的,为了使仪器工作在的射频场的作用下原子核能发生共振吸收现不同的应用频率上,或为了使用不同尺寸与几[1]象。射频场既可以连续地施加,也可以短脉何形状的样品,我们往往需要制作各种各样的冲的形式施加,现代核磁共振技术都采用脉冲探头,并进行不同线圈的实验。本文分析对比方法。了各种形状探头线圈的优缺点,并针对螺线管按静磁场场强的不同核磁共振技术可分为型探头的设计给出了详细的分析介绍,该探头高
4、场、中场、低场三种。高场、中场核磁共振技已成功应用于我们开发的低场脉冲核磁共振分术由于应用较早,理论和技术手段都已比较成析测量仪中。熟,在化学、生物医学等多个方面都已得到广泛1低场脉冲核磁共振仪电路系统[2]应用。低场脉冲核磁共振技术一般应用于食品化工行业、地质方面的地下水、天然气、石油低场脉冲核磁共振仪电路系统与中高场核等物质的勘探和堤坝的管涌检测等,其应用环磁共振系统并无实质性差别,其电路系统原理境通常比较恶劣,获取的信号信噪比极低,对电见图1。收稿日期:20070118基金项目:国家自然科学基金资助课题
5、(No.50377043)北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目作者简介:郑传行(1977-),男,贵州遵义人,博士,副教授,主要从事信号处理、小波分析等研究。图1低场脉冲核磁共振仪电路结构233系统工作原理如下:射频振荡器产生射频器进行滤波,并由相敏检波器进行检波,然后经振荡,由发射器脉冲调制成射频脉冲信号,并经模数转换器采集为数字信号后上载到计算机,射频功率放大器放大变成强而短的射频功率脉通过在计算机里对该回波信号的解谱分析,得冲加到探头线圈上。当发生核磁共振时,在线到被测样品的性质特征参数。圈中就会感应出
6、一个被调制的射频振荡并由接2几种核磁共振探头线圈的比较收器接收。为了避免发射器的功率泄漏到接收器中,当发射器工作时,接收器断开;当接收器核磁共振仪器中使用的探头线圈根据形状工作时,发射器断开。这就是所谓的分时接收,的不同一般分为螺线管型、对称工字型、鸟笼通过探头开关实现发射与接收的切换。接收器型、马鞍型等,各种线圈的优缺点对比见表[3]接收到信号经前置放大器放大后通过低通滤波1。表1各种形状核磁共振线圈优缺点的比较线圈类型结构优点缺点螺线管型在圆筒型环氧管或尼龙管上绕制线圈之间间隔均匀,使其具有很容易受到周围
7、金属物体的影响。的螺线型线圈好的磁场均匀性和高Q值。特别是当金属物体靠近线圈时,激发待观测物体时效率明显降低,检结构简单,容易制作。测的核磁共振信号的信噪比明显下降。对称工字型由2或4片对称工字型无磁金属可以有很好的磁场均匀性。要求有精确的调节对称性,一组或片组成电感元件,金属片间连接多能得到较高的灵敏度和较大的多个等值的可调或固定电容器,调组可调或固定电容器。尺寸。节制作不方便。鸟笼型线圈绕制成鸟笼状线圈之间间隔均匀,因而有较好的调谐电容器连接在线圈之间,制作磁场均匀性。不方便。马鞍型由两组对称马鞍型线圈组成,
8、每组结构简单,可应用于较小尺寸样Q值很难做高。1到2圈。调谐电容器紧靠线圈连品。激发效率低,检测的信号信噪比接,或者拉出探头芯外调谐以减少低。分布电容的影响。!线圈产生的磁场不均匀。表1中Q值指品质因数,通过对比可看出,螺线管型结构简单而且能获得很好的磁场均匀性与高Q值,下面针对它的具体设计制作进行详细讨论。3螺线管线圈的参数计算与制作低场脉冲核磁共
