便携式核磁共振主磁体系统及射频线圈的结构设计

作     者：李俊洲 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜文娟

授予年度：2022年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：核磁共振系统 Halbach阵列 轴向调整 有限元仿真 射频线圈 

摘      要：核磁共振作为一种精准、快速、无损的测量技术,已广泛应用于材料科学、结构生物学、医学等领域。但核磁共振系统存在着设备沉重、体积庞大、成本高昂和检测地点受限等缺点,使得该测量技术在日常中得不到有效普及。为进一步发展该技术,使核磁共振系统具备体积小、成本低和可用于现场检测等优点,便携式核磁共振主磁体系统成为了核磁共振发展的新方向。针对便携式核磁共振主磁体系统现状存在的不足,本课题以煤粉为检测对象,围绕设计要求,确定阵列截面、磁块个数、磁环内外半径、磁环高度、磁环层数和磁环间距等结构参数,设计出一款Halbach阵列型主磁体系统,该主磁体系统具有场强高、体积小、成本低和可用于现场检测等优点。针对端部效应所导致的均匀度过差情况,本课题对主磁体系统对提出逐对调整磁块高度、逐级优化的方案,并引入品质因子Q用来表征磁块单位高度变化对均匀度的提升能力,使均匀度提高95.15%。最后通过优化线圈相对信噪比,设计出与主磁体系统相匹配的射频线圈与射频探头。本论文为便携式核磁共振主磁体系统的后续研究提供了参考。本文主要工作内容如下:1.本论文基于有限元仿真分析方法,围绕设计要求并确定结构参数,最终设计出一款具有9层磁环的主磁体系统,系统尺寸为Φ240×138 mm,中间通孔尺寸为Φ60×138mm,工作区域尺寸为Φ20×20 mm,磁场强度为1029 m T,整体均匀度为8612 ppm。2.为解决主磁体系统高度过低导致的端部效应问题,对主磁体系统提出逐对调整磁块高度、逐级优化的方案,并引入品质因子Q用来表征磁块单位高度变化对均匀度的提升能力。最终优化后的系统尺寸为Φ240×141.8 mm,磁场强度为1.09 T,整体均匀度为418 ppm。优化后均匀度提高95.15%,磁场强度提高近6%,但优化结构多耗费了13.38%的磁性材料。3.针对系统性能受材料性能影响较大的问题,本研究对系统进行材料性能特性分析,结果显示材料性能误差呈对称分布时均匀度所受影响更小,因此应严格在同一块磁性材料上选材。针对系统性能受工作温度影响较大的问题,本研究对系统进行工作温度特性分析,结果显示随着工作温度升高,磁场强度呈线性递减。4.设计出与主磁体系统匹配的射频线圈与射频探头。确定了射频线圈类型和线圈材料,并通过优化线圈相对信噪比来计算线圈结构参数,最终设计出螺线管线圈与射频探头的具体结构。