CN110988011B - 一种用于动态核极化系统的双频dnp探头系统及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统及其装配方法，属于核磁共振技术领域，其主要通过设置第一底板和第二底板，配合用于射频谐振的螺线管的内孔内壁面以形成太赫兹谐振腔，实现了射频频段和太赫兹频段双谐振，并有效减少了DNP探头的体积，具有良好的适用性。

Description

一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统及其装配方法
技术领域
本发明涉及核磁共振技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统及其装配方法。
背景技术
随着核磁共振技术的发展，核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)技术已作为一种重要的分析手段广泛应用于物理、化学、生物和医学等领域。但与其他谱学方法相比，NMR技术一个明显的不足之处就是其检测灵敏度非常低。而基于NMR理论发展起来的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技术也面临同样的问题。如何提高NMR和MRI的检测灵敏度一直是磁共振领域研究人员所努力的方向。
虽然通过增加磁场强度B0可以提高核极化度，从而改善NMR的探测灵敏度，在过去的近五十年中，NMR技术主要沿这个方向发展，目前超导磁体已提高到接近极限强度的23.5T(相应的质子共振频率为1000MHz)。但即使在这样高的磁场条件下，原子核的极化度依然很小。此外，由于技术和生理学等方面的原因，全身的MRI断层影像技术还无法像NMR技术那样在很高的磁场强度下实现，这使得灵敏度低的问题在MRI领域中更为突出。因而必需探索其它的提高核极化度的技术，动态核极化(Dynamic Nuclear Polarization，DNP)因其可以极大地增强NMR信号而引起了人们的广泛关注。DNP是一种电子与核的双共振技术，通过微波照射来饱和自由基中的未配对电子，由于电子与相邻核之间存在耦合作用，使得与其相耦合的核能级布居数发生变化，把电子的高自旋极化度转移到核上，使核自旋获得高极化度，从而达到提高NMR检测灵敏度的效果。由于DNP突出的极化增强效果，通过DNP技术提高NMR检测灵敏度是目前NMR和MRI领域的研究热点，然而，目前市场上还非常缺乏功能完备的新型DNP-NMR/MRI系统设备，这已成为开展DNP相关研究的瓶颈。
DNP探头是DNP系统的一个关键部件，其性能指标直接关系到DNP增强效果，而国内关于DNP探头设计与研制鲜见报道，且大部分研究均在低频波段，而有机分子的共振峰多处在太赫兹频段，因此开发太赫兹频段的DNP系统需求迫切，而作为其关键部件的双频太赫兹DNP探头系统更为迫切。
发明内容
综上所述，本发明所解决的技术问题是：提供一种结构精简且可实现射频频段与太赫兹频段谐双谐振的DNP探头系统。
而本发明为解决上述技术问题所采用的方案为：
一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统，包括有围绕自身轴线呈螺旋状延伸的螺线管，所述螺线管的两端连接接线，以形成用于射频谐振的回路；所述螺线管内孔的两端分别插入有第一滑塞和第二滑塞，所述第一滑塞伸入于螺线管内孔中的部位上设有第一底板，所述第二滑塞伸入于螺线管内孔中的部位上设有第二底板，所述第一底板、第二底板与螺线管内孔的内壁一并围合出呈圆柱型的太赫兹谐振腔，所述螺线管的侧部还设置有连通其内孔和外部的太赫兹馈入口，用于使太赫兹谐振腔与太赫兹源相连通，所述第一滑塞和第二滑塞上设置有贯通的并与螺线管内孔同轴线的样品管放置孔。
进一步的，所述第一滑塞或第二滑塞，与螺线管内孔滑动配合，以使第一底板或第二底板能沿螺线管内孔的轴向滑动。
进一步的，还包括有同轴套设在螺线管外的支撑套筒。
进一步的，所述支撑套筒上设置有与太赫兹馈入口相连通的插入孔，所述太赫兹馈入口通过插入在插入孔中的波导探针而与太赫兹源相连通，所述插入孔的形状与波导探针的形状相适配。
进一步的，所述插入孔沿螺线管的径向延伸。
进一步的，还包括有分别盖设在支撑套筒两端上的第一盖板和第二盖板，所述第一盖板和第二盖板与支撑套筒固定连接，所述第一盖板和第二盖板上均设置有与螺线管内孔的内径相一致并同轴连通的盖板孔，所述第一滑塞和第二滑塞分别穿入在对应侧的盖板孔中。
进一步的，所述波导探针与第一盖板之间，及波导探针与第二盖板之间通过若干个连接件固定连接。
进一步的，所述连接件为分别与波导探针、第一盖板螺纹连接的第一连接螺钉，及分别与波导探针、第二盖板螺纹连接的第二连接螺钉，所述波导探针上构成有用于收容第一连接螺钉的头部及第二连接螺钉的头部的沉孔。
如上所述的一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统的装配方法，
在装配过程中，利用对中模具对太赫兹馈入口和插入孔进行找正；
所述螺线管的外侧部上构成有呈方孔状的对中沉头孔，所述对中沉头孔与太赫兹馈入口相连通；
所述对中模具包括有与插入孔形状相适配的插入部，及构成于插入部端部上的找正端；所述找正端上构成有与对中沉头孔形状适配的方头部，及与太赫兹馈入口形状相适配的入口部，所述入口部与插入部同轴线；
在装配过程中，将对中模具的插入至插入孔中，并使方头部和入口部分别对应的插入在对中沉头孔和太赫兹馈入口中。
优选的，在装配过程中，在支撑套筒的两端上固定连接第一盖板和第二盖板之后，将其外径与盖板孔及螺线管内孔的内径相适配的芯轴，插入至两侧的盖板孔及螺线管的内孔中，以对两侧盖板孔及螺线管的内孔轴线进行找正。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果包括有：
(1)本发明采用了螺线管作为射频线圈，不但解决了传统方式当中由于射频线圈放置于谐振腔内而导致微波谐振腔的频率、品质系数和模式分布受到线圈影响的问题，还有效避免了射频线圈对于样品区域的微波场形成屏蔽作用。同时，本发明辅助设置了第一底板和第二底板，配合螺线管内孔的内壁面以形成太赫兹谐振腔，实现了射频频段和太赫兹频段双谐振，并有效减少了DNP探头的体积，具有良好的适用性。
(2)本发明所提供的太赫兹谐振腔呈圆柱型，其轴线上的磁场最强，而电场为零，所以本发明在第一滑塞和第二滑塞上设置了与螺线管内孔同轴线的样品管放置孔，从而降低系统运行时，样品管受到的加热效应。
(3)本发明将构成太赫兹谐振腔的一部分的第一底板或第二底板设置成可滑动式的，实施人员可通过滑动第一滑塞或第二滑塞来调节太赫兹谐振频点，以实现腔体谐振峰的手动调节，有利于后续的实验谐振峰的搜索。
附图说明
图1为本发明所提供的实施例1的结构示意图；
图2为本发明所提供的实施例1中螺线管的结构示意图；
图3为本发明所提供的实施例1中太赫兹谐振峰仿真图；
图4为本发明所提供的实施例1在装配时所使用的对中模具的结构示意图；
图5为本发明所提供的实施例1装配入芯轴的结构示意图。
【具体符号说明】
1-螺线管，2-第一滑塞，21-第一底板，3-第二滑塞，31-第二底板，4-太赫兹馈入口，5-太赫兹谐振腔，6-样品管放置孔，7-支撑套筒，8-波导探针，9-第一盖板，10-第一连接螺钉，11-第二盖板，12-第二连接螺钉，131-插入部，132-方头部，133-入口部，14-芯轴，15-对中沉头孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例1所提供的一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统，包括有围绕自身轴线呈螺旋状延伸的螺线管1，所述螺线管1的两端连接接线，以形成用于射频谐振的回路；所述螺线管1内孔的两端分别插入有第一滑塞2和第二滑塞3，所述第一滑塞2伸入于螺线管1内孔中的部位上设有第一底板21，所述第二滑塞3伸入于螺线管1内孔中的部位上设有第二底板31，所述第一底板21、第二底板31与螺线管1内孔的内壁一并围合出呈圆柱型的太赫兹谐振腔5，所述螺线管1的侧部还设置有连通其内孔和外部的太赫兹馈入口4，用于使太赫兹谐振腔5与太赫兹源相连通，所述第一滑塞2和第二滑塞3上设置有贯通的并与螺线管1内孔同轴线的样品管放置孔6。
在本实施例1中，具体采用了螺线管1作为射频线圈，实现射频谐振，不但解决了传统方式当中由于射频线圈放置于谐振腔内而导致微波谐振腔的频率、品质系数和模式分布受到影响的问题，还有效避免了射频线圈对于样品区域的微波场形成屏蔽作用。本实施例1中，更进一步的，为了实现太赫兹频段和射频频段的双谐振，本发明辅助设置了第一底板21和第二底板31，配合螺线管1内孔的内壁面，围合形成圆柱形的太赫兹谐振腔5，实现了射频频段和太赫兹频段双谐振，并有效减少了DNP探头的体积，具有良好的适用性。
在本实施例1中，螺线管1内孔的内径为2.94mm±0.01mm，螺线管1的厚度为0.3mm±0.03mm，螺距为2.92mm±0.03mm，长度为12.7mm±0.03mm。太赫兹馈入口4的孔径为0.66mm±0.01mm，此处壁厚为0.1mm±0.01mm。
上述双频太赫兹DNP探头系统通过仿真，得到在射频下的螺线管1的Q值为60，太赫兹谐振腔5的Q值为6564。而实际制造后，测得射频Q值50，太赫兹谐振腔5Q值530。考虑到太赫兹输送线的损耗，太赫兹谐振腔5的实际Q值与设计值的误差处于较好范围之内。其中，样品管放置孔6主要供放置有样品的样品管的插入，两侧的样品管放置孔6可形成对于样品管的有效支承。
作为优选实施例，在本实施例1中，所述第一滑塞2与螺线管1内孔滑动配合，以使第一底板21能沿螺线管1内孔的轴向滑动。在另一实施例中，第二滑塞3与螺线管1内孔滑动配合，以使第二底板31能沿螺线管1内孔的轴向滑动。将构成太赫兹谐振腔5的一部分的第一金属板或第二金属板设置成可滑动式的，实施人员可通过滑动第一滑塞2或第二滑塞3来调节太赫兹谐振频点，来实现腔体谐振峰的手动调节，可参考图3，有利于后续的实验谐振峰的搜索。
此外，为保障作为太赫兹谐振腔5一部分的螺线管1的结构稳定性，作为优选实施例，在本实施例1中，还包括有同轴套设在螺线管1外的支撑套筒7，所述支撑套筒7上设置有与太赫兹馈入口4相连通的插入孔，所述太赫兹馈入口4通过插入在插入孔中的波导探针8而与太赫兹源相连通，所述插入孔的形状与波导探针8的形状相适配。所述插入孔沿螺线管1的径向延伸。
而对应的，还包括有分别盖设在支撑套筒7两端上的第一盖板9和第二盖板11，所述第一盖板9和第二盖板11与支撑套筒7固定连接，所述第一盖板9和第二盖板11上均设置有与螺线管1内孔的内径相一致并同轴连通的盖板孔，所述第一滑塞2和第二滑塞3分别穿入在对应侧的盖板孔中。
同时，为保障波导探针8的连接、结构稳定性，在本实施例1中，所述波导探针8与第一盖板9之间，及波导探针8与第二盖板11之间通过若干个连接件固定连接。具体而言，所述连接件为分别与波导探针8、第一盖板9螺纹连接的第一连接螺钉10，及分别与波导探针8、第二盖板11螺纹连接的第二连接螺钉12，所述波导探针8上构成有用于收容第一连接螺钉10的头部及第二连接螺钉12的头部的沉孔，以进一步的降低整个探头系统的体积。
此外，上述的第一底板21和第二底板31均采用金属制成，以配合螺线管1内孔的内壁一并围合出呈圆柱型的太赫兹谐振腔5。
对于上述的探头系统而言，保障其装配精度具有重要的意义，所以本实施例1的装配方法与常规装配方法相比，具有部分改动，即：
在装配过程中，利用对中模具对太赫兹馈入口4和插入孔进行找正；
所述螺线管1的外侧部上构成有呈方孔状的对中沉头孔15，所述对中沉头孔15与太赫兹馈入口4相连通；
所述对中模具包括有与插入孔形状相适配的插入部131，及构成于插入部131端部上的找正端；所述找正端上构成有与对中沉头孔15形状适配的方头部132，及与太赫兹馈入口4形状相适配的入口部133，所述入口部133与插入部131同轴线；
如图4和图5所示，在装配过程中，将对中模具的插入端至插入孔中，并使方头部132和入口部133分别对应的插入在对中沉头孔15和太赫兹馈入口4中。
其中，对中模具中的插入部131主要用于模仿波导探针8，可以理解的是，在太赫兹馈入口4相对于插入孔移动至预定位置时，方头部132和入口部133即可插入在对中沉头孔15和太赫兹馈入口4中。于此之后，即可较为精确的插入波导探针8。
此外，如图5所示，在本实施例1的装配过程中，在支撑套筒7的两端上固定连接第一盖板9和第二盖板11之后，将其外径与盖板孔及螺线管1内孔的内径相适配的芯轴14，插入至两侧的盖板孔及螺线管1的内孔中，以对两侧盖板孔及螺线管1的内孔轴线进行找正。
其中，当第一盖板9和第二盖板11上的盖板孔与螺线管1的内孔处于同一轴线上，即预定位置时，芯轴14即可同时穿入在两侧的盖板孔和螺线管1的内孔中，从而确保了两侧盖板孔和螺线管1的内孔的轴线共线。之后，再对应地插入第一滑塞2和第二滑塞3，即可保障样品管放置孔6的同轴度。
以上具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统，其特征在于：包括有围绕自身轴线呈螺旋状延伸的螺线管，所述螺线管的两端连接接线，以形成用于射频谐振的回路；所述螺线管内孔的两端分别插入有第一滑塞和第二滑塞，所述第一滑塞伸入于螺线管内孔中的部位上设有第一底板，所述第二滑塞伸入于螺线管内孔中的部位上设有第二底板，所述第一底板、第二底板与螺线管内孔的内壁一并围合出呈圆柱型的太赫兹谐振腔，所述第一底板以及所述第二底板均采用金属制成，所述螺线管的侧部还设置有连通其内孔和外部的太赫兹馈入口，用于使太赫兹谐振腔与太赫兹源相连通，所述第一滑塞和第二滑塞上设置有贯通的并与螺线管内孔同轴线的样品管放置孔；还包括有同轴套设在螺线管外的支撑套筒，所述支撑套筒上设置有与太赫兹馈入口相连通的插入孔，所述太赫兹馈入口通过插入在插入孔中的波导探针而与太赫兹源相连通，所述插入孔的形状与波导探针的形状相适配，所述插入孔沿螺线管的径向延伸，还包括有分别盖设在支撑套筒两端上的第一盖板和第二盖板，所述第一盖板和第二盖板与支撑套筒固定连接，所述第一盖板和第二盖板上均设置有与螺线管内孔的内径相一致并同轴连通的盖板孔，所述第一滑塞和第二滑塞分别穿入在对应侧的盖板孔中，还包括芯轴，其外径与螺线管的内径相适配，其用于在固定第一盖板和第二盖板之后，穿入盖板孔及螺线管的内孔中，以对盖板孔与螺线管的内孔轴线进行找正。
2.如权利要求1所述的一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统，其特征在于：所述第一滑塞或第二滑塞，与螺线管内孔滑动配合，以使第一底板或第二底板能沿螺线管内孔的轴向滑动。
3.如权利要求1所述的一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统，其特征在于：所述波导探针与第一盖板之间，及波导探针与第二盖板之间通过若干个连接件固定连接。
4.如权利要求3所述的一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统，其特征在于：所述连接件为分别与波导探针、第一盖板螺纹连接的第一连接螺钉，及分别与波导探针、第二盖板螺纹连接的第二连接螺钉，所述波导探针上构成有用于收容第一连接螺钉的头部及第二连接螺钉的头部的沉孔。
5.如权利要求1所述的一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统的装配方法，其特征在于：
在装配过程中，利用对中模具对太赫兹馈入口和插入孔进行找正；
所述螺线管的外侧部上构成有呈方孔状的对中沉头孔，所述对中沉头孔与太赫兹馈入口相连通；
所述对中模具包括有与插入孔形状相适配的插入部，及构成于插入部端部上的找正端；所述找正端上构成有与对中沉头孔形状适配的方头部，及与太赫兹馈入口形状相适配的入口部，所述入口部与插入部同轴线；
在装配过程中，将对中模具的插入至插入孔中，并使方头部和入口部分别对应的插入在对中沉头孔和太赫兹馈入口中。
6.如权利要求5所述的一种用于动态核极化系统的双频DNP探头系统的装配方法，其特征在于：
在装配过程中，在支撑套筒的两端上固定连接第一盖板和第二盖板之后，将其外径与盖板孔及螺线管内孔的内径相适配的芯轴，插入至两侧的盖板孔及螺线管的内孔中，以对两侧盖板孔及螺线管的内孔轴线进行找正。
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