CN108776317A - 一种圆柱形核磁共振探头 - Google Patents

一种圆柱形核磁共振探头 Download PDF

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沈晟
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Abstract

本发明属于无损检测领域，涉及一种圆柱形核磁共振探头，射频线圈产生的射频磁场与磁体产生的静态磁场在目标区域内磁场方向的夹角为90°或接近90°，可以通过对螺线管匝数、两个螺线管之间的距离、螺线管匝间距的调节来调整射频磁场，可以通过对三个永磁体的半径、高度的调节来调整静态磁场，并在磁体外侧包裹屏蔽网以屏蔽交变磁场，同时降低自身涡流效应对射频磁场和射频线圈交流电阻的影响，有效降低射频线圈的交流电阻，整体结构可以实现在目标区域内产生均匀度较高的静态磁场和射频磁场的设计目的，有效提高圆柱形核磁共振探头的信噪比。

Description

一种圆柱形核磁共振探头
技术领域
本发明属于无损检测领域，涉及一种圆柱形核磁共振探头。
背景技术
土壤水分是影响农作物生长的重要因素，而且其含量和存在形态又是土壤中诸多化学、物理和生物学过程的控制因素。因此，就农业及环境保护而言，土壤水分检测的重要意义在于及时准确地进行土壤水分检测，评估干旱和湿害程度，优化利用有限的水资源，保证农作物产量。土壤孔隙的数量及大小分布直接决定着土壤的透气性、持水保水性能以及作物根系在土壤空间的伸展，间接影响土壤的肥力和作物产量，因此对土壤孔结构进行准确评估具有重要意义。
核磁共振检测技术作为一种便捷、准确的测量方法，被广泛应用于土壤含水率和土壤孔隙结构的测定。但现有技术中的核磁共振探头存在结构复杂、不便维修更换，且目标区域较小的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种圆柱形核磁共振探头，在保证使用寿命及探测灵敏度的前提下，简化探头结构，扩大目标区域。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种圆柱形核磁共振探头，包括磁体、射频线圈以及匹配调谐电路，所述磁体用于产生静态磁场，由三个圆柱形的永磁体同轴堆叠而成，沿轴线方向从磁体的一端至其对侧依次为第一磁体、第二磁体及第三磁体，相邻的两个永磁体相连；所述射频线圈用于产生与静态磁场的磁场方向相交的射频磁场，所述射频线圈由两个旋向相对的螺线管串联组成，套设在磁体外侧；所述匹配调谐电路设置在磁体的一端且与射频线圈相连，用于对射频线圈进行匹配调谐。
可选地，所述静态磁场与射频磁场相正交。
可选地，所述第一磁体与第三磁体的直径相同，所述第二磁体的直径小于第一磁体的直径。
可选地，所述第一磁体与第三磁体的高度相同，所述第二磁体的高度大于第一磁体的高度。
可选地，所述射频线与磁体同轴且几何中心相互重合。
可选地，还包括屏蔽网，所述屏蔽网包裹在磁体外侧，设置在磁体与射频线圈之间。
可选地，所述屏蔽网由漆包线编制而成。
可选地，还包括磁体容器，所述磁体容器包裹在屏蔽网外侧，设置在屏蔽网与射频线圈之间。
可选地，所述磁体容器由塑料制成。
可选地，所述射频线圈设置在第二磁体外侧。
本发明的有益效果在于：
本发明中的射频线圈产生的射频磁场与磁体产生的静态磁场在目标区域内磁场方向的夹角为90°或接近90°，可以通过对螺线管匝数、两个螺线管之间的距离、螺线管匝间距的调节来调整射频磁场，可以通过对三个永磁体的半径、高度的调节来调整静态磁场，并在磁体外侧包裹屏蔽网以屏蔽交变磁场，同时降低自身涡流效应对射频磁场和射频线圈交流电阻的影响，有效降低射频线圈的交流电阻，整体结构可以实现在目标区域内产生均匀度较高的静态磁场和射频磁场的设计目的，有效提高圆柱形核磁共振探头的信噪比。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明中涉及的一种圆柱形核磁共振探头的整体结构示意图；
图2为本发明中涉及的磁体的结构示意图；
图3为本发明中涉及的射频线圈的结构示意图；
图4为本发明中涉及的一种圆柱形核磁共振探头的磁场分布及目标区域示意图；
图5为本发明中涉及的匹配调谐电路的位置示意图；
图6为本发明中涉及的漆包线编织网的结构示意图；
图7为本发明实施例中的磁体尺寸图；
图8为目标区域静态磁场的仿真结果；
图9为目标区域射频磁场的仿真结果；
图10为目标区域叠加磁场的矢量图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-图10，附图中的元件标号分别表示：磁体1、第一磁体11、第二磁体12、第三磁体13、射频线圈2、螺线管21、屏蔽网3、磁体容器4、匹配调谐电路5、电流I、静态磁场B0、射频磁场B1、目标区域T。
本发明涉及一种圆柱形核磁共振探头，包括磁体、射频线圈2以及匹配调谐电路5，所述磁体用于产生静态磁场B0，由三个圆柱形的永磁体同轴堆叠而成，沿轴线方向从磁体的一端至其对侧依次为第一磁体11、第二磁体12及第三磁体13，相邻的两个永磁体相连；所述射频线圈2用于产生与静态磁场B0的磁场方向相交的射频磁场B1，所述射频线圈2由两个旋向相对的螺线管21串联组成，套设在磁体外侧；所述匹配调谐电路5设置在磁体的一端且与射频线圈2相连，用于对射频线圈2进行匹配调谐。
优选地，所述静态磁场B0与射频磁场B1相正交；所述第一磁体11与第三磁体13的直径相同，所述第二磁体12的直径小于第一磁体11的直径；所述第一磁体11与第三磁体13的高度相同，所述第二磁体12的高度大于第一磁体11的高度；所述射频线与磁体同轴且几何中心相互重合；还包括屏蔽网3，所述屏蔽网3包裹在磁体外侧，设置在磁体与射频线圈2之间；所述屏蔽网3由漆包线编制而成；还包括磁体容器4，所述磁体容器4包裹在屏蔽网3外侧，设置在屏蔽网3与射频线圈2之间；所述磁体容器4由塑料制成；所述射频线圈2设置在第二磁体12外侧。
本发明中所涉及的一种圆柱形核磁共振探头的整体结构如图1所示，整体结构由内至外依次为磁体1、屏蔽网3、磁体容器4、以及射频线圈2。磁体1结构如图2所示，由第一磁体11、第二磁体12、第三磁体13依次同轴堆叠而成，在磁体1周围产生轴向的静态磁场B0，三块永磁体的磁化方向一致，因此三块永磁体在堆叠过程中可以通过互相吸引实现有效连接固定，本实施例中采用相同尺寸的第一磁体11与第三磁体13进行堆叠，第一磁体11、第二磁体12、第三磁体13的半径、高度根据目标区域T的位置、大小、形状确定。相互吸引的三个永磁体在目标区域T产生静态磁场B0。射频线圈2的结构如图3所示，由两个磁场极性相对的螺线管21串联组成，在目标区域T产生沿径向的射频磁场B1。
核磁共振的性能受到静态磁场B0均匀度、射频磁场B1均匀度、射频磁场B1与静态磁场B0夹角的影响，所述射频磁场B1与静态磁场B0夹角的最优值为90°，即射频磁场B1与静态磁场B0相正交。本发明中磁体1结构能够通过调整三个永磁体的半径、高度优化目标区域T内的静态磁场B0；通过调整两个螺线管21的匝数、匝间距、以及两个螺线管21之间的间距来调整射频磁场B1均匀度与磁场夹角。图4给出了该发明在目标区域T内静态磁场B0和射频磁场B1的矢量图，并标识出了射频线圈2中的电流I方向。
射频线圈2在磁体1周围产生的射频磁场B1会使磁体产生退磁现象，为防止该种情况，本发明在磁体1表面包裹了一层屏蔽网3，该屏蔽网3由漆包线编制而成，整体结构如图6所示。屏蔽网3在屏蔽射频磁场B1的同时，能有效降低屏蔽网3自身材料的涡流效应。这既能减小涡流效应对射频磁场B1强度和分布的影响，又能有效降低射频线圈2的交流电阻，能够有效提高本发明中涉及的一种圆柱形核磁共振探头的信噪比。
磁体1结构和射频线圈2结构确定后，将用屏蔽网3包裹好的磁体1放入塑料制成的磁体容器4中，并将射频线圈2绕制于磁体容器4外侧，测定射频线圈2的集总参数：电阻R、电感L，对射频线圈2进行调谐与匹配，匹配调谐电路5的位置如图5所示。
根据核磁共振原理，进行核磁共振检测时，待测样品处于静态磁场B0中，利用与静态磁场B0正交的射频磁场B1对处于静态磁场B0中的样品进行激励，然后又通过射频线圈2接收样品的核磁共振信号。为了获得高信噪比的核磁共振信号，核磁共振探头在设计时要求目标区域T磁场均匀度高，射频磁场B1均匀度高，静态磁场B0与射频磁场B1夹角为90度或接近90°。
在具体的实施例中的磁体1尺寸如图7所示，H1＝25mm，H2＝50mm，R1＝40mm，R2＝35mm；单个的螺线管21为4～8匝，匝间距为5mm～10mm；两个串联的螺线管21之间的间距为15～35mm。采用该尺寸设计的圆柱形核磁共振探头的目标磁场的模拟结果如图8～图10所示。需要说明的是，目标区域T的位置在探头周围呈立体环形分布，该环形区域的各个截面的磁场均相同或极为相似，该仿真结果是目标区域T的一个截面，足以说明目标区域T中的磁场分布。
本发明中的射频线圈2产生的射频磁场B1与磁体1产生的静态磁场B0在目标区域T内磁场方向的夹角为90°或接近90°，可以通过对螺线管21匝数、两个螺线管21之间的距离、螺线管21匝间距的调节来调整射频磁场B1，可以通过对三个永磁体的半径、高度的调节来调整静态磁场B0，并在磁体1外侧包裹屏蔽网3以屏蔽交变磁场，同时降低自身涡流效应对射频磁场B1和射频线圈2交流电阻的影响，有效降低射频线圈2的交流电阻，整体结构可以实现在目标区域T内产生均匀度较高的静态磁场B0和射频磁场B1的设计目的，有效提高圆柱形核磁共振探头的信噪比。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种圆柱形核磁共振探头，其特征在于，包括磁体、射频线圈以及匹配调谐电路，所述磁体用于产生静态磁场，由三个圆柱形的永磁体同轴堆叠而成，沿轴线方向从磁体的一端至其对侧依次为第一磁体、第二磁体及第三磁体，相邻的两个永磁体相连；所述射频线圈用于产生与静态磁场的磁场方向相交的射频磁场，所述射频线圈由两个旋向相对的螺线管串联组成，套设在磁体外侧；所述匹配调谐电路设置在磁体的一端且与射频线圈相连，用于对射频线圈进行匹配调谐。
2.如权利要求1中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，所述静态磁场与射频磁场相正交。
3.如权利要求1中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，所述第一磁体与第三磁体的直径相同，所述第二磁体的直径小于第一磁体的直径。
4.如权利要求1中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，所述第一磁体与第三磁体的高度相同，所述第二磁体的高度大于第一磁体的高度。
5.如权利要求1中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，所述射频线与磁体同轴且几何中心相互重合。
6.如权利要求1中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，还包括屏蔽网，所述屏蔽网包裹在磁体外侧，设置在磁体与射频线圈之间。
7.如权利要求6中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，所述屏蔽网由漆包线编制而成。
8.如权利要求6中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，还包括磁体容器，所述磁体容器包裹在屏蔽网外侧，设置在屏蔽网与射频线圈之间。
9.如权利要求8中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，所述磁体容器由塑料制成。
10.如权利要求1中所述的圆柱形核磁共振探头，其特征在于，所述射频线圈设置在第二磁体外侧。
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