CN104483641A - 电子-核双共振谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电子-核双共振谐振器，包括裂隙腔和细长导线；裂隙腔由若干个弧形导板构成，细长导线将弧形导体连接成射频线圈；裂隙腔谐振于电子共振频率，射频线圈谐振于原子核共振频率；使用裂隙腔结构能够促使电磁场的分离，保证谐振腔内部磁场与电场的比值最大化；使用细长导线是为了尽量使其不会影响裂隙腔的谐振频率及模式，同时又可利用裂隙腔的导体将其连接成射频线圈。本发明利用细长导线巧妙的将裂隙腔和射频线圈合二为一，在保证两个谐振模式效率的同时，大大简化了电子-核双共振谐振器的结构。

Description

电子-核双共振谐振器

技术领域

本发明属于磁共振领域，更具体地，涉及电子-核双共振谐振器。

背景技术

核磁共振（NMR）是研究物质分子结构，分子间相互作用等的重要手段，已广泛应用于材料、物理、化学、生物和医学中。然而，核磁共振灵敏度很低，基于电子-核极化转移的动态核极化（DNP）技术提供了一条增强NMR信号的重要途径。动态核极化是电子-核双共振技术，通过微波对电子自旋操控把未配对电子（自由基）的高自旋极化度转移到核上，从而增强核自旋极化。由于电子的旋磁比g（或极化）是质子的660倍（13C 的2600倍），如果把电子的极化度完全转移到对应的核上，则质子的最大DNP增强为660倍（13C 为2600倍）。

电子-核双共振系统通常有三个场，一个是主磁场B0，另外两个分别是由射频线圈产生的射频场B1和由微波谐振器产生的微波场B2。B1场用于激发核共振，B2场用于激发电子共振。

动态核极化谱仪一个重要的部件就是双共振谐振器。传统的金属谐振腔由于其高Q值得到了较大的应用，但是正是因为其高Q值导致其并不适用于脉冲微波的激发，同时由于其尺寸较大，填充因子以及微波磁场的分布都很差，不适合于高介电常数的液体样品。虽然新发展的裂隙腔能够解决一定的问题，但是其射频线圈一般放置于裂隙腔外，采用螺线管形式，同时对裂隙腔起屏蔽作用，为了减小裂隙腔对射频场的屏蔽作用，其制作方法一般是在石英玻璃表面镀银形成。由于射频线圈需要对裂隙腔起屏蔽作用，为了得到所需的微波谐振模式，即较好的场分布，这就要求射频线圈的直径要大于裂隙腔直径的两倍以上，从而将大大降低射频线圈的填充因子，而根据理论推导，系统检测灵敏度正比于线圈填充因子，这样做将大大减小系统的检测灵敏度。

为了解决现有技术方案中存在的缺点，增大系统的检测灵敏度，本发明提出了一种将射频线圈与微波谐振器合二为一的方案，将传统的双裂隙腔变为多裂隙腔，然后用细长导线将其导体连接为一射频线圈。

发明内容

本发明的目的是：提供电子-核双共振谐振器，使射频线圈与微波谐振器为一整体结构，消除裂隙腔对射频场的屏蔽作用；更重要的是，将射频线圈直径缩小到与裂隙腔同一尺寸，从而增大了射频线圈的填充因子，提高系统检测灵敏度。同时，这种谐振器的结构能够极大的改善微波磁场分布，相对于传统的金属谐振器，这种结构更适合于脉冲微波的激发。本发明提出的电子-核双共振谐振器，包括若干个弧形导板，各个弧形导板沿周向分布构成圆筒状的裂隙腔，裂隙腔上开设有两个相对的射频线圈窗口，每个射频线圈窗口由其中两个相邻的弧形导板的侧边的凹部构成，各个弧形导板通过导线连接为射频线圈，射频线圈产生的射频磁场依次穿过两个射频线圈窗口。

如上所述的两个射频线圈窗口以裂隙腔的轴线中心对称分布。

如上所述的弧形导板的个数为2n个，n为大于1的自然数。

如上所述的射频线圈为马鞍形线圈。

电子-核双共振谐振器，还包括设置在裂隙腔内的微波耦合环，射频线圈的两个的端子并联有调谐电容，调谐电容一端与匹配调节电容一端连接，匹配调节电容另一端构成射频接口的一端，调谐电容的另一端构成射频接口的另一端。

本发明的优点是：

本发明的谐振器将射频线圈和微波谐振器合二为一，大大缩减了电子-核双共振线圈谐振器的结构尺寸，提高了射频线圈的填充因子，增大了系统的检测灵敏度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明谐振器（以n=2为例）的结构图；

其中， 101a-第一弧形导板；101b-第二弧形导板；101c-第三弧形导板；101d-第四弧形导板；102-细长的导线；103a-第一工部间距；103b-第二工部间距；104a-第一直线间距；104b-第二直线间距；105a-射频线圈第一窗口；105b-射频线圈第二窗口；106-射频接口；107-微波耦合环；108-同轴线；109-匹配调节电容；110-调谐电容。

图2 a为图1所示谐振器横截面上射频场的磁力线分布图，其中虚线表示磁力线分布，图2 b为图1所示谐振器轴截面上微波场的磁力线分布图，其中虚线表示磁力线分布。

图3为使用本发明谐振器用于增强核磁共振信号的动态核极化(DNP)系统示意图。

其中，200-上述双共振谐振器；201-磁体系统；202-射频收发切换开关；203-射频前置放大器模块；204-射频功率放大器；205-射频发射机模块；206-接收机模块；207-微波功率放大器；208-微波发射机模块；209-主控板模块；210-网络交换机；211-服务计算机。

具体实施方式

实施例1：

电子-核双共振谐振器，包括若干个弧形导板，各个弧形导板沿周向分布构成圆筒状的裂隙腔，裂隙腔上开设有两个相对的射频线圈窗口，每个射频线圈窗口由其中两个相邻的弧形导板的侧边的凹部构成，各个弧形导板通过导线连接为射频线圈，射频线圈产生的射频磁场依次穿过两个射频线圈窗口。两个射频线圈窗口以裂隙腔的轴线中心对称分布。弧形导板的个数为2n个，n>1。射频线圈可选用马鞍形线圈。

作为一种优选方案，弧形导板的侧边之间的间距为0.02~0.2倍的裂隙腔的直径。射频线圈窗口的窗口高为1~1.2倍裂隙腔的直径，窗口宽为0.25~0.3倍裂隙腔的直径。

电子-核双共振谐振器，还包括设置在裂隙腔内的微波耦合环，射频线圈的两个的端子并联有调谐电容，调谐电容一端与匹配调节电容一端连接，匹配调节电容另一端构成射频接口的一端，调谐电容的另一端构成射频接口的另一端。

实施例2（n=2的情况）：

电子-核双共振谐振器，包括裂隙腔和连接裂隙腔的细长导线，对于n=2的裂隙腔包括第一弧形导板101a、第二弧形导板101b、第三弧形导板101c、第四弧形导板101d，第一弧形导板101a与第二弧形导板101b构成第一工形导板，第一弧形导板101a与第二弧形导板101b之间的间距为第一直线间距104a，第三弧形导板101c与第四弧形导板101d构成第二工形导板，第三弧形导板101c与第四弧形导板101d之间的间距为第二直线间距104b，第一工形导板与第二工形导板构成筒形的裂隙腔，第一工形导板和第二工形导板的两侧的工形的凸部之间构成工部间距，第一工形导板和第二工形导板的两侧的工形的凹部构成射频线圈第一窗口105a和射频线圈第二窗口105b，即第一弧形导板101a与第四弧形导板101d的工形凹部之间构成射频线圈第一窗口105a，第二弧形导板101b与第三弧形导板101c的工形凹部之间构成射频线圈第二窗口105b。导线依次串联第四弧形导板101d、第一弧形导板101a、第三弧形导板101c、第二弧形导板101b，即第四弧形导板101d和第一弧形导板101a通过导线同端连接，第一弧形导板101a和第三弧形导板101c通过导线同端连接，第三弧形导板101c和第二弧形导板101b通过导线同端连接，第四弧形导板101d和第二弧形导板101b分别通过导线与谐振模块连接，筒形的裂隙腔一端设置有微波耦合环107。第一弧形导板101a~第四弧形导板101d及其相连的导线构成马鞍型射频线圈。

当射频端口106通入射频信号时，通过导线连接后的第四弧形导板101d、第一弧形导板101a组成的环路与通过导线连接后的第三弧形导板101d、第二弧形导板101b组成的环路所产生的磁场方向相同，即射频线圈第一窗口105a与射频线圈第二窗口105b磁场方向同向。如此便可在线圈中心形成一定强度的均匀磁场来激发放置在线圈中心的样品发生核磁共振。由第一弧形导板101a、第二弧形导板101b、第三弧形导板101c、第四弧形导板101d组成的裂隙腔，在所限定的尺寸下，通过耦合环耦合进腔内的微波信号将在裂隙腔内形成沿裂隙腔轴线方向的磁场，并在中心样品区域内均匀分布。如此便可激励样品中的未配对电子发生电子顺磁共振。

筒形的裂隙腔谐振于频率较高的电子共振频率上，如在0.35T的磁场下，电子共振频率约9.8GHz。

细长的导线102将第一弧形导板101a、第二弧形导板101b、第三弧形导板101c、第四弧形导板101d连接而成的射频线圈谐振于频率较低的原子核共振频率，如在0.35T磁场下，氢核共振频率约14.9MHz。

弧形导板间距（103a、103b、104a、104b）在0.35T磁体下为0.2~0.5mm，以保证其微波场的均匀性和谐振模式。

裂隙腔的微波信号可通过耦合环来激励，所述耦合环与裂隙腔同轴。

射频线圈的窗口（105a、105b）需取一个合理的尺寸以同时兼顾射频场的均匀性和微波场的均匀性，在0.35T磁体下，窗口高1~1.2倍裂隙腔的直径，宽0.25~0.3倍裂隙腔的直径。

如图1所示，电子-核双共振谐振器还包括射频接口106、匹配调节电容109、调谐电容110、微波耦合环107、微波传输同轴线108；所述调谐电容110使射频线圈调谐到核共振频率上，匹配调节电容109使射频线圈匹配在最佳状态。调节微波耦合环107与裂隙腔的距离使其与裂隙腔之间到达最佳耦合效果。

电子-核双共振谐振器应用在0.35T磁场强度的磁体上，在0.35T磁场强度下，氢核共振频率14.9MHz，电子共振频率9.8GHz。类似的结构还可使用在其它磁场强度的磁体上，只需调节弧形导板间距（103a、103b、104a、104b）和裂隙腔的直径便可改变其微波谐振频率，而射频线圈的谐振频率可通过调谐电容110调节。

正常工作时，大功率射频信号通过射频接口106传输到射频线圈上，用于激发样品内的核磁共振信号，得到的自由感应衰减信号（FID）通过射频接口106传输到接收机端。同时，大功率的微波信号通过同轴线108作用到裂隙腔内，用于激发电子顺磁工作信号。

图2 a、b分别是上述谐振器调谐到核共振频率和电子共振频率时，谐振器的射频场磁力线和微波场磁力线分布示意图。

射频线圈通过交联聚苯乙烯支座固定在屏蔽腔中，连接微波耦合环107的同轴线可在一定范围内沿着谐振器轴向上下移动，以此调节微波耦合环107与裂隙腔的耦合状态。

图3所示为电子-核双共振谐振器用于动态核极化系统中的系统示意图。整个系统的控制部分由一台服务计算机211承担，它包括主机、显示器、键盘、鼠标。

整个系统的控制由服务计算机211完成，服务计算机211通过网络交换机210与各个模块进行数据交互，包括射频发射机模块205，微波发射机模块208，接收机模块206，主控板模块209。射频发射机模块205主要产生幅度、相位、频率可调节的射频脉冲用于激发核磁共振。微波发射机模块208主要产生幅度、相位、频率可调节的微波脉冲用于激发电子自旋共振。接收机模块206主要用于接收核磁共振产生的自由感应衰减信号，并进行放大、采样、下变频等处理。主控板模块209负责整个系统的启动与同步。在一次具体实验中，用户通过服务计算机211发送相应的脉冲序列数据到射频发射机模块205、接收机模块206、微波发射机模块208和主控板模块209，主控板模块209通过解析脉冲序列得到对微波发射机模块208、射频发射机模块205、接收机模块206的控制信号。在发射阶段，射频发射机模块205解析出相应的射频信号后送给射频功率放大器204进行功率放大，放大的射频信号经过射频收发切换开关202选择送给双共振线圈谐振器200的射频输入端，用于激发核磁共振信号。微波发射机模块208解析出相应的微波信号后送给微波功率放大器207进行功率放大，放大的微波信号送给双共振线圈谐振器200的微波输入端，用于激发电子自旋共振信号。在接收阶段，射频收发切换开关202将得到的FID信号送到射频前置放大器模块203上，在前置放大器上进行放大、下变频后送入给接收机模块206，接收机模块进行数字采样，正交下变频，按预定方式完成累加功能，并通过网络交换机210上传到服务计算机211上，供给实验人员观察与进一步处理。磁体系统201为整个系统提供稳定均匀的静态磁场。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.电子-核双共振谐振器，包括若干个弧形导板，各个弧形导板沿周向分布构成圆筒状的裂隙腔，裂隙腔上开设有两个相对的射频线圈窗口，每个射频线圈窗口由其中两个相邻的弧形导板的侧边的凹部构成，各个弧形导板通过导线连接为射频线圈，射频线圈产生的射频磁场依次穿过两个射频线圈窗口。

2.根据权利要求1所述的电子-核双共振谐振器，其特征在于，所述的两个射频线圈窗口以裂隙腔的轴线中心对称分布。

3.根据权利要求1所述的电子-核双共振谐振器，其特征在于，所述的弧形导板的个数为2n个，n为大于1的自然数。

4.根据权利要求1所述的电子-核双共振谐振器，其特征在于，所述的射频线圈为马鞍形线圈。

5.根据权利要求1所述的电子-核双共振谐振器，其特征在于，还包括设置在裂隙腔内的微波耦合环，射频线圈的两个的端子并联有调谐电容，调谐电容一端与匹配调节电容一端连接，匹配调节电容另一端构成射频接口的一端，调谐电容的另一端构成射频接口的另一端。