[发明专利]核磁共振波谱仪多通道分离矩阵式匀场线圈及设计方法

说明书

本发明公开了一种核磁共振波谱仪多通道分离矩阵式匀场线圈及设计方法。该匀场线圈包括奇数阶线圈组、偶数阶线圈组和零阶线圈，所述奇数阶线圈组用于在磁场区域中心轴线上生成目标磁场为特定函数形状的奇数阶项，所述偶数阶线圈组用于在磁场区域中心轴线上生成目标磁场为特定函数形状的偶数阶项，所述零阶线圈用于核磁共振信号的锁场，所述零阶线圈还用于目标磁场为特定函数形状的偶数阶项的矩阵组合产生零阶漂移的自校准。本发明将目标磁场为奇数阶项和偶数阶项进行分离设计，省去了补偿线圈结构。

技术领域

本发明属于室温匀场线圈技术领域，更具体地，涉及一种核磁共振波谱仪多通道分离矩阵式匀场线圈及设计方法。

背景技术

室温匀场线圈是高场核磁共振(NMR)波谱仪系统用于提高超导磁体磁场均匀性指标的关键部件。一般情况下，NMR波谱仪超导磁体在超导匀场后的中心磁场均匀度达到1～0.1ppm(1ppm表示10^-6)，但无法满足高分辨(0.01～0.001ppm)的精细谱学实验要求。为了提高磁场均匀度，需要对磁体室温腔配套辅助设备—室温匀场线圈，通过调控室温匀场线圈中的电流来产生特定强度、形状的校正磁场，从而补偿主磁场的非均匀分量。

常用的室温匀场线圈设计采用分离导线法，基本思路如下：根据毕奥-萨伐尔(Biot-Savart)定律初始化一套单一电流串联的结构简单、形状规则的线圈绕组，然后构建某一球谐分量的目标函数，通过优化算法寻找最终满足目标函数的线圈的结构信息，包括匝数和位置等。随着现代核磁共振仪器对于更高检测灵敏度的追求，探头射频线圈被加长，通过扩大有效的探头射频区域来获取更大的样品信号。与之匹配，匀场线圈的匀场区域也必须扩大，这就需要更多的线圈匝数以及扩展更高阶非均匀补偿量。传统的分离导线法设计的线圈结构有三个缺陷：1)线圈的绕组间相互挤压了很大的空间，不利于高阶线圈的设计；2)对线圈的骨架结构加工精度要求很高，工程上的实现难度较大；3)单个匀场线圈通常包括了多组简单的形状结构，因此需要考虑相互间磁场抵消作用，导致不必要的功耗。

Konzbul(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.36,NO.4,JULY 2000)提出了一种矩阵形式的匀场线圈设计思路，不同于常规的室温匀场线圈设计只优化线圈几何结构单一维度的方式，矩阵式室温匀场线圈设计通过固定多组矩阵线圈结构，变化各矩阵单元的电流值从而能组合产生不同的匀场线圈的磁场形状。该方法增加了优化变量的维度，简化了室温匀场线圈的骨架结构设计，降低了工艺上的绕线难度。在此基础上，2008年，Speck提出在每个矩阵单元附近串联增加一个电流方向相反的补偿线圈，从而抵消每单一矩阵单元所产生的零阶磁场漂移影响。

但是，这类矩阵式室温匀场线圈设计存在一些问题：1)由于所产生多磁场形状的矩阵单元共用单一线槽，线的匝数较多，阻抗和电感变大，电流快速切换对单一电流源的负载能力以及漆包线的电流承受能力提出一定要求；2)目标磁场为特定函数形状的奇数阶项(如Z1、Z3、Z5、Z7)和偶数阶项(如Z2、Z4、Z6、Z8)，由相对磁场中心上下对称、结构相同的线圈对通以反向和同向电流产生，偶数阶项会产生零阶漂移，但奇数阶项并不产生零阶漂移，这就导致一部分补偿线圈的浪费；3)多电流多电路组合由于优化变量的增多，更容易受到线槽机加工或绕线误差的影响，导致目标磁场不纯。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种核磁共振波谱仪多通道分离矩阵式匀场线圈及设计方法，将目标磁场为奇数阶项和偶数阶项进行分离设计，独立的奇数阶项线圈组无需进行零阶漂移校准，偶数阶项通过一个独立的零阶线圈进行零阶磁场漂移自校准，省去补偿线圈结构。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种核磁共振波谱仪多通道分离矩阵式匀场线圈，包括奇数阶线圈组、偶数阶线圈组和零阶线圈，所述奇数阶线圈组用于在磁场区域中心轴线上生成目标磁场为特定函数形状的奇数阶项，所述偶数阶线圈组用于在磁场区域中心轴线上生成目标磁场为特定函数形状的偶数阶项，所述零阶线圈用于核磁共振信号的锁场，所述零阶线圈还用于目标磁场为特定函数形状的偶数阶项的矩阵组合产生零阶漂移的自校准。