CN113075597B - 一种磁体磁场测量方法及测量系统 - Google Patents

一种磁体磁场测量方法及测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种磁体磁场测量方法，对设定环境内待测磁体的磁场进行测量，设定环境为50K以下的真空环境，包括：在设定环境内，待测磁体的中心磁场区域配置信号探头和加热单元，其中信号探头具有LC振荡电路和谐振材料的组合；通过置于设定环境外的控制器，控制加热单元加热信号探头至目标温度后，将谐振材料设置为谐振状态，然后令LC振荡电路中的探测线圈接收预设时间段的射频信号，之后探测线圈采集到自旋回波信号，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值。能够对设定环境中磁体产生的磁场进行高精度测量。本发明还提供一种实现本发明磁体磁场测量方法的系统以及采用本发明磁体磁场测量系统对磁体磁场进行测量的方法。

Description

一种磁体磁场测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种低温与真空环境下磁体磁场测量方法及测量系统。
背景技术
超导磁体磁场的测量，是超导磁体制造完成后必不可少的环节，也是验证超导磁体设计和制造是否满足使用要求的重要步骤。
超导线圈工作时需要处于极低的温度下，来保证超导线圈处于超导状态；低温超导磁体系统可提供高稳定度、高均匀度、高场强的磁场，是高性能MRI(核磁共振成像仪)等相关装置的首选磁体系统。当前低温与真空环境下超导磁体磁场测量通常使用低温霍尔片，但是受霍尔器件精度的限制，其在0.1T到3T测量范围内精度最大只能达到0.1高斯(10- 5T)。在一些特殊应用中也可以通过设计感应线圈来测量超导磁体磁场的变化，该方法一般通过自校准来完成其测量精度，对于捕捉快速变化的磁场有很好的效果，但局限在于不能测量静态磁场，不能适用于测量超导磁体产生的磁场。
因此，亟需一种低温与真空环境下超导磁体磁场测量方法及测量系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术中存在的问题，本发明至少从一定程度上进行解决。为此，本发明的一个目的在于提出了一种磁体磁场测量方法，能够对50K(开氏度)以下的真空环境中超导磁体产生的强磁场进行高精度测量。
本发明的第二个目的在于提出了一种实现本发明磁体磁场测量方法的系统。
本发明的第三个目的在于提出了一种采用本发明磁体磁场测量系统对磁体磁场进行测量的方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明一方面提供一种磁体磁场测量方法，对设定环境内待测磁体的磁场进行测量，设定环境为50K以下的真空环境，包括以下步骤：
在设定环境内，待测磁体的中心磁场区域配置信号探头和加热单元，其中信号探头具有LC振荡电路和谐振材料的组合；
通过置于设定环境外的控制器，控制加热单元加热信号探头至目标温度后，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令探测线圈接收预设时间段的射频信号，将谐振材料激发为谐振状态，之后探测线圈采集到自旋回波信号，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值；其中自旋回波信号为探测线圈被射频信号激发后，谐振材料在磁场下产生的信号。
可选地，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值，包括：
ω＝Υ*B
其中，ω为自旋回波信号的频率；γ为谐振材料的磁旋比；B为待测磁体的磁场值。
可选地，待测磁体包括超导磁体。
可选地，磁体磁场测量方法还包括：采集预设次数自旋回波信号，根据每一次自旋回波信号确定的磁场值，获得待测磁体的最终磁场值。
本发明第二方面提供一种磁体磁场测量系统，用于测量设定环境内待测磁体的磁场，设定环境为50K以下的真空环境，该系统包括置于设定环境内的加热单元和信号探头，以及置于设定环境外的计算机、控制器、电源、射频放大器和信号接收装置；
信号探头具有LC振荡电路和谐振材料的组合，加热单元紧挨信号探头设置；计算机分别与控制器、射频放大器和信号接收装置电线连接，加热单元与控制器电线连接，信号接收装置与控制器电线连接，射频放大器与控制器电线连接，信号探头与控制器电线连接，电源为计算机、控制器、加热单元、信号探头、射频放大器和信号接收装置提供电能。
可选地，磁体磁场测量系统还包括置于设定环境外的开关装置，开关装置与计算机电线连接，开关装置与控制器电线连接。
可选地，磁体磁场测量系统还包括射频转换头、前置放大器及信号转接盒，信号探头依次通过前置放大器及信号转接盒、射频转换头与控制器电线连接。
可选地，加热单元包括加热器和温度传感器，加热器紧挨信号探头设置，温度传感器紧挨信号探头设置；加热器通过加热线缆与控制器连接，温度传感器通过温度信号反馈线缆与控制器连接。
本发明第三方面提供一种采用上述系统对磁体磁场进行测量的方法，包括以下步骤：
将信号探头和加热单元置于待测磁体的中心磁场区域；
计算机通过控制器、加热单元和信号接收装置，控制信号探头的温度达到目标温度后，计算机通过控制器，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器发射预设时间段的射频信号至探测线圈，将谐振材料激发为谐振状态；之后计算机通过控制器，令信号接收装置接收探测线圈采集到的自旋回波信号，信号接收装置对自旋回波信号进行模数转换后发送至计算机；
计算机根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值；
其中自旋回波信号为探测线圈被射频信号激发后，谐振材料在磁场下产生的信号。
可选地，计算机通过控制器，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器发射预设时间段的射频信号至探测线圈，包括：计算机通过开关装置切换控制器为发射模式，控制器将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器发射预设时间段的射频信号至探测线圈，将谐振材料激发为谐振状态；
计算机通过控制器，令信号接收装置接收探测线圈采集到的自旋回波信号，包括：计算机通过开关装置切换控制器为接收模式，控制器令信号接收装置接收探测线圈采集到的自旋回波信号。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
在本发明实施例提出的磁体磁场测量方法中，通过在设定环境内配置加热单元和信号探头，并令加热单元加热信号探头至信号探头所需温度，保证了信号探头在设定环境内能够正常稳定工作，以测量设定环境内磁体的磁场值。通过将控制器置于设定环境外，保证了控制器的正常工作。通过控制加热单元加热信号探头至目标温度后，令LC振荡电路中的探测线圈接收预设时间段的射频信号，以将谐振材料激发为谐振状态，之后探测线圈采集到自旋回波信号，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值，能够对磁体产生的强磁场(＞1T)进行高精度测量(精度小于1uT)，并且能够观测到更精细的磁场变化，对低温真空领域的磁场应用有重大意义。
附图说明
本发明借助于以下附图进行描述：
图1为根据本发明一个实施例的磁体磁场测量系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的加热单元与信号探头的放大图；
图3为根据本发明一个实施例的磁体磁场测量系统中用于射频发射的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的磁体磁场测量系统中用于信号采集的结构示意图；
图5为单次采集自旋回波信号的时序控制过程图。
【附图标记说明】
1：加热单元；
2：信号探头；
3：计算机；
4：控制器；
5：电源；
6：射频放大器；
7：信号接收装置；
8：开关装置；
9：射频转换头；
10：前置放大器及信号转接盒；
11：待测磁体；
12：真空杜瓦。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明实施例提出的磁体磁场测量方法，对设定环境(50K以下的真空环境)内待测磁体的磁场进行测量，包括以下步骤：
在设定环境内，待测磁体的中心磁场区域配置信号探头和加热单元，其中信号探头具有LC振荡电路和谐振材料的组合。
通过置于设定环境外的控制器，控制加热单元加热信号探头至目标温度后，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令探测线圈接收预设时间段的射频信号，将谐振材料激发为谐振状态，之后探测线圈采集到自旋回波信号，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值。其中自旋回波信号为探测线圈被射频信号激发后，谐振材料在磁场下产生的信号。
由于信号探头在50K以下的环境中会被冻住，无法稳定工作。因此在本发明实施例提出的磁体磁场测量方法中，通过在设定环境内配置加热单元和信号探头，并令加热单元加热信号探头至信号探头所需温度，保证了信号探头在设定环境内能够正常稳定工作，以测量设定环境内磁体的磁场值。通过将控制器置于设定环境外，保证了控制器的正常工作。通过控制加热单元加热信号探头至目标温度后，令LC振荡电路中的探测线圈接收预设时间段的射频信号，以将谐振材料激发为谐振状态，之后探测线圈采集到自旋回波信号，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值，能够对磁体产生的强磁场(＞1T)进行高精度测量(精度小于1uT)。
具体地，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值，包括：
ω＝γ*B
其中，ω为自旋回波信号的频率；γ为谐振材料的磁旋比；B为待测磁体的磁场值。谐振材料可选用为硅胶，常用氢原子的磁旋比为42.576MHz/T。
进一步地，本发明实施例提出的磁体磁场测量方法，还包括：在一次采集自旋回波信号完成后，将谐振材料设置为失谐状态。
进一步地，待测磁体包括超导磁体。
进一步地，本发明实施例提出的磁体磁场测量方法，还包括：采集预设次数自旋回波信号，根据每一次自旋回波信号确定的磁场值，获得待测磁体的最终磁场值。能够获取更为精确的磁体磁场值。
为实现本发明实施例提出的磁体磁场测量方法，本发明实施例还提供一种磁体磁场测量系统。如图1所示，是本发明实施例提供的磁体磁场测量系统的结构示意图。
本发明实施例提供的磁体磁场测量系统，用于测量设定环境内待测磁体11的磁场，设定环境为50K以下的真空环境。该系统包括置于设定环境内的加热单元1和信号探头2(如图2所示)，以及置于设定环境外的计算机3、控制器4、电源5、射频放大器6和信号接收装置7；信号探头2具有LC振荡电路和谐振材料的组合，加热单元1紧挨信号探头2设置；计算机3分别与控制器4、射频放大器6和信号接收装置7电线连接，加热单元1与控制器4电线连接，信号接收装置7与控制器4电线连接，射频放大器6与控制器4电线连接，信号探头2与控制器4电线连接，电源5为计算机3、控制器4、加热单元1、信号探头2、射频放大器6和信号接收装置7提供电能。
具体地，设定环境包括真空杜瓦12提供的50K以下的真空环境。
进一步地，本发明实施例提供的磁体磁场测量系统，还包括置于设定环境外的开关装置8，开关装置8与计算机3电线连接，开关装置8与控制器4电线连接。
进一步地，本发明实施例提供的磁体磁场测量系统，还包括射频转换头9、前置放大器及信号转接盒10，信号探头2依次通过前置放大器及信号转接盒10、射频转换头9与控制器4电线连接。令采集到的自旋回波信号经过前置放大器及信号转接盒进入控制器。
进一步地，加热单元1包括加热器和温度传感器，加热器紧挨信号探头2设置，且加热器包裹在信号探头2的外面，温度传感器紧挨信号探头2设置；加热器通过加热线缆与控制器4连接，温度传感器通过温度信号反馈线缆与控制器4连接。
采用本发明实施例提供的磁体磁场测量系统对磁体磁场进行测量，包括以下步骤：
预先配置：将信号探头2和加热单元1置于待测磁体11的中心磁场区域。
温度控制：磁体磁场测量系统开启，计算机3通过控制器4、加热单元1和信号接收装置7，控制信号探头2的温度达到目标温度。
射频发射：控制信号探头2的温度达到目标温度后，计算机3通过控制器4，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器6发射预设时间段的射频信号至探测线圈，将谐振材料激发为谐振状态，如图3所示。
信号采集：探测线圈接收到射频信号以后，计算机3通过控制器4，令信号接收装置7接收探测线圈采集到的自旋回波信号，信号接收装置7对自旋回波信号进行模数转换后发送至计算机3，如图4所示。
确定磁场值：计算机3根据自旋回波信号，确定待测磁体11的磁场值。其中自旋回波信号为探测线圈被射频信号激发后，谐振材料在磁场下产生的信号。
进一步地，计算机3通过控制器4，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器6发射预设时间段的射频信号至探测线圈，将谐振材料激发为谐振状态，包括：计算机3通过开关装置8切换控制器4为发射模式，控制器4将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器6发射预设时间段的射频信号至探测线圈。计算机3通过控制器4，令信号接收装置7接收探测线圈采集到的自旋回波信号，包括：计算机3通过开关装置8切换控制器4为接收模式，控制器4令信号接收装置7接收探测线圈采集到的自旋回波信号。
具体地，图5是单次采集自旋回波信号的时序控制过程图，如图5所示，磁体磁场测量系统开启后，t0时刻加热单元开始对信号探头进行加热，t1时刻信号探头温度从T0升高到目标温度T。t2时刻计算机通过开关装置切换控制器为发射模式，控制器将谐振材料设置为谐振状态，t3至t4时间段，控制器令射频放大器发射射频信号至LC振荡电路中的探测线圈。t5时刻计算机通过开关装置切换控制器为接收模式，控制器令信号接收装置接收探测线圈采集到的信号，t6至t7时间段，信号接收装置接收到探测线圈采集到的自旋回波信号。t8时刻计算机通过开关装置切换控制器为初始状态，控制器将谐振线圈设置为失谐状态。发射射频的中间时刻到采集的中间时刻称为TE(回波时间)。TE回波时间，根据8信号探头中的材料固有特性不同而确定。重复t1到t8的时序控制过程可以完成多次采集自旋回波信号。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁体磁场测量方法，其特征在于，对设定环境内待测磁体的磁场进行测量，设定环境为50K以下的真空环境，包括以下步骤：
在设定环境内，向待测磁体的中心磁场区域配置紧挨设置的信号探头和加热单元，其中信号探头和加热单元均与待测磁体分离设置，加热单元仅用于加热信号探头，信号探头具有LC振荡电路和谐振材料的组合；
通过置于设定环境外的控制器，控制加热单元加热信号探头至目标温度后，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令探测线圈接收预设时间段的射频信号，将谐振材料激发为谐振状态，之后探测线圈采集到自旋回波信号，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值；
其中自旋回波信号为探测线圈被射频信号激发后，谐振材料在磁场下产生的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值，包括：
ω＝Υ*B
其中，ω为自旋回波信号的频率；Υ为谐振材料的磁旋比；B为待测磁体的磁场值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待测磁体包括超导磁体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：采集预设次数自旋回波信号，根据每一次自旋回波信号确定的磁场值，获得待测磁体的最终磁场值。
5.一种磁体磁场测量系统，其特征在于，用于测量设定环境内待测磁体的磁场，设定环境为50K以下的真空环境，该系统包括置于设定环境内的加热单元(1)和信号探头(2)，以及置于设定环境外的计算机(3)、控制器(4)、电源(5)、射频放大器(6)和信号接收装置(7)；
信号探头(2)具有LC振荡电路和谐振材料的组合，加热单元(1)紧挨信号探头设置，信号探头(2)和加热单元(1)均与待测磁体分离设置，加热单元(1)仅用于加热信号探头(2)；
计算机(3)分别与控制器(4)、射频放大器(6)和信号接收装置(7)电线连接，加热单元(1)与控制器(4)电线连接，信号接收装置(7)与控制器(4)电线连接，射频放大器(6)与控制器(4)电线连接，信号探头(2)与控制器(4)电线连接，电源(5)为计算机(3)、控制器(4)、加热单元(1)、信号探头(2)、射频放大器(6)和信号接收装置(7)提供电能。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括置于设定环境外的开关装置(8)，开关装置(8)与计算机(3)电线连接，开关装置(8)与控制器(4)电线连接。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括射频转换头(9)、前置放大器及信号转接盒(10)，信号探头依次通过前置放大器及信号转接盒(10)、射频转换头(9)与控制器(4)电线连接。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，加热单元包括加热器和温度传感器，加热器紧挨信号探头(2)设置，温度传感器紧挨信号探头(2)设置；
加热器通过加热线缆与控制器(4)连接，温度传感器通过温度信号反馈线缆与控制器(4)连接。
9.一种采用如权利要求5至8任一项所述系统对磁体磁场进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将信号探头(2)和加热单元(1)置于待测磁体的中心磁场区域；
计算机(3)通过控制器(4)、加热单元(1)和信号接收装置(7)，控制信号探头(2)的温度达到目标温度后，计算机(3)通过控制器(4)，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器(6)发射预设时间段的射频信号至探测线圈，将谐振材料激发为谐振状态；之后计算机(3)通过控制器(4)，令信号接收装置(7)接收探测线圈采集到的自旋回波信号，信号接收装置(7)对自旋回波信号进行模数转换后发送至计算机(3)；
计算机(3)根据自旋回波信号，确定待测磁体的磁场值；
其中自旋回波信号为探测线圈被射频信号激发后，谐振材料在磁场下产生的信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算机(3)通过控制器(4)，将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器(6)发射预设时间段的射频信号至探测线圈，将谐振材料激发为谐振状态，包括：
计算机(3)通过开关装置(8)切换控制器(4)为发射模式，控制器(4)将LC振荡电路中的探测线圈设置为谐振状态，然后令射频放大器(6)发射预设时间段的射频信号至探测线圈，将谐振材料激发为谐振状态；
所述计算机(3)通过控制器(4)，令信号接收装置(7)接收探测线圈采集到的自旋回波信号，包括：
计算机(3)通过开关装置(8)切换控制器(4)为接收模式，控制器(4)令信号接收装置(7)接收探测线圈采集到的自旋回波信号。
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