CN114518553A - 一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱nmr方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR方法，测量出常导电磁体磁场场强精确测量值。选择单通道收发NMR测量系统；设置各实验参数；开始NMR信号采样；通过频域信号阵列判断是否检测到NMR信号以及信号频率；通过频域信号阵列判别出真实NMR信号并读取出其NMR信号共振频率，根据磁场场强与NMR信号共振频率之间的对应关系，计算得到相应时刻的磁场场强。本发明可以实现对不稳定时变磁场场强的快速精确测量，也可为其他各类磁场场强快速精确测量提供技术支持。

Description

一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR方法

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，具体涉及一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR方法。

背景技术

磁共振仪器被广泛应用于物理、化学、生命科学、医学、石油、化工、材料等诸多领域。根据工作原理和应用领域的不同，磁共振仪器系统可分为核磁共振（NMR）仪器和磁共振成像（MRI）仪器以及电子顺磁共振（EPR）仪器等种类，其中磁体是磁共振仪器系统最重要的部件之一，磁共振仪器性能很大程度上依赖磁体产生的磁场B₀，磁场的场强、稳定度以及均匀度越高，磁共振仪器获得的信号的信噪比（SNR∝B₀ ^7/4）和分辨率越高，可使磁共振仪器具备的性能越高。

根据产生磁场方式的不同，磁体大致分为常导电磁体、超导磁体、永磁体等几大类。电磁体是由多组常规导体（如铜）励磁线圈构成的，与超导磁体和永磁体相比，电磁体可以非常方便地改变主磁场场强，人们只需要通过外置的直流电源向励磁线圈提供不同强度工作电流，就可以根据需要产生出不同场强的磁场。超导磁体是由超导材料制作而成，由于超导材料性能所限，目前超导磁体的最高场强不超过32.35T（T，特斯拉）。永磁体是由永磁材料制造而成，其产生的最大场强更为有限，一般不超过3T。与之相比，合理设计制造的常导电磁体可以产生出更高的磁场，目前常导电磁体所获得的稳态强磁场的最高场强可达41.4T，常导电磁体和常导磁体组合而成的混合磁体产生的最高场强可达45T。强磁场作为一种极端研究条件，在磁共振的相关研究领域有着重大的潜在应用前景。不同于超导磁体，由于受电源纹波的影响，常导电磁体和混合磁体产生的磁场（B_电）存在一种快速波动微扰成分，属于是不稳定的时变磁场，其磁场可视为稳定场（B₀）和微扰时变场（∆B(t)）叠加的组合场，其磁场稳定度不如超导磁体：

其中ω为交流电基频ν的圆频率（ω=2πν），2ω、3ω、...交流电各谐频的圆频率，微扰时变场各阶系数k₁、k₂、k₃、...都远小于1，且k₁>>k₂、k₃、...，因此常导电磁体的磁场可简化为如下的时变函数关系式：

在磁体研究设计和制造过程中，磁场测量是其中必不可少的技术手段，场强测量数据是评判装置是否达到要求的硬性指标。在开展磁场相关的各种研究中，也都需要准确测量磁场的场强，尤其是在核磁共振研究领域，对磁场场强大小及其空间分布的测量精度有很高的要求。例如，对于磁场场强为9.4T磁体，场强的测量偏差仅为10^-2量级的情况下，对应的NMR共振频率会出现4MHz的偏差，就会造成NMR信号难以检测情况发生。因此，更强磁场的磁体装置对磁场场强的测量精度会有更高要求。

目前测量磁场场强常用方法有霍尔效应法、法拉第电磁感应法以及法拉第磁光效应法，这些方法属于相对测量法，常存在较大系统误差，测量精度常不到10^-2量级。如上所述，这样的测量精度难以满足NMR研究需求，一般只能作为粗略的参考值。相比于常用的磁场测量方法，理论上应用核磁共振技术测量磁场的精度要高得多，其测量精度可达10^-6量级，是磁场测量方法中精度最高的，可作为其它磁场测量方法的标定参考。目前应用核磁共振技术测量磁场的仪器是针对恒定磁场（如超导磁体的磁场）的测量而设计的，对于快速波动的不稳定的时变的常导电磁体磁场的测量，常规NMR方法难以胜任。

因此，针对上述问题，本发明专利提出了一种精确测量常导电磁体场强的单通道收发宽带变频伪二维谱NMR方法，用于精确测量快速波动的不稳定的时变磁场，场强的测量精度可以得到很大程度的提高，该方法还可为其他各类磁场场强快速精确测量提供技术支持，例如脉冲稳态强磁场。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR方法，该方法可以提高对不稳定时变磁场测量的效率及准确性，降低磁场测量成本，实现对不稳定时变磁场场强的快速精确测量，并且场强的测量精度可以得到很大程度的提高，该方法可为今后各类磁场场强快速精确测量提供技术支持。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR方法，包括以下步骤：

步骤1、通过常规的磁场场强测量方法测量出常导电磁体磁场场强初始值

，常规的磁场场强测量方法为霍尔效应法、法拉第电磁感应法或者法拉第磁光效应法；

步骤2、选择单通道收发NMR测量系统，包括1套主计算机系统、1套单通道收发NMR谱仪控制系统、1套射频功率放大器、1套NMR射频线圈、1组前置放大器；

步骤3、设置各实验参数，包括设置射频激发脉冲的初始频率

，射频激发脉冲宽度

，第

个射频激发脉冲激发前的等待时间

，NMR信号累加次数n，第

个射频激发脉冲第n次NMR采样的等待时间为

，射频发射相位θ₁，NMR信号接收相位θ₂，NMR信号采样的带宽SW，采用宽带采样模式，变频的步进频率

，

次变频后的射频激发脉冲频率为

；

步骤4、开始NMR信号采样，第

次变频后获得NMR时域信号组成增大发射频率搜索和减小发射频率搜索的2组NMR时域数据阵列，通过伪二维谱快速傅里叶变换批处理方法，将2组NMR时域信号阵列变换为对应的频域信号阵列；

步骤5、通过频域信号阵列判断是否检测到NMR信号以及信号频率，如果没有检测到NMR信号，则i自加1返回步骤4；如果检测到NMR信号，则进入步骤6；

步骤6、通过频域信号阵列判别出真实NMR信号并读取出其NMR信号共振频率

，NMR样品检测核的旋磁比为γ，根据磁场场强B与NMR信号共振频率

之间的对应关系

，计算得到相应时刻的磁场场强B。

如上所述的步骤3中：

，γ为NMR样品检测核的旋磁比，

，n为大于1的整数，C为整数，T为交流电周期，∆t为步进的时间参数，

，j为射频激发脉冲序号，

为NMR样品检测核的纵向弛豫时间，

，采用宽带采样模式，射频发射相位θ₁依次为0°, 0°, 180°, 180°, 90°, 90°, 270°, 270°，NMR信号接收相位θ₂依次为0°, 0°, 180°, 180°, 90°, 90°, 270°, 270°，变频的步进频率

。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明精确有效，为精确测量快速波动的不稳定的时变磁场提供了新的思路，所设计的精确测量常导电磁体场强的单通道收发宽带变频伪二维谱NMR方法可以提高对不稳定的时变磁场测量的效率及准确性，从而降低不稳定时变磁场的测量成本，为今后各类磁场场强快速精确测量提供技术支持，如脉冲稳态强磁场。

附图说明

图1为一种不稳定电磁场的磁场波动示意图，其中电磁场波动幅度

与电磁场场强B相关，电磁场场强B越大，电磁场波动幅度

越大，其波动周期为T；

电磁场目标场强；

电磁场波动幅度；T-交流电周期；

图2为本发明的硬件图，采用单线圈单通道的工作模式，主计算机控制NMR测量系统进行单通道NMR实验，通过单个射频线圈收集磁场对应的核磁信号，实现对磁场场强大小的测量；

磁体；

射频线圈；

图3为单通道收发宽带变频伪二维谱NMR方法的脉冲序列示意图，其中初始频率为

、初始周期为

、脉冲宽度为

；P是发射脉冲，

表示射频发射相位；aq是采样时间，

表示NMR信号接收相位；

脉冲宽度；

射频激发脉冲的初始频率；

射频激发脉冲第1次变频后的频率；

射频激发脉冲第i次变频后的频率；

第1个脉冲射频激发前得等待时间；

第2个脉冲射频激发前得等待时间；

第

个脉冲射频激发前得等待时间；

自由感应衰减信号；

图4为本发明方法的实施流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～4所示，一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR装置，包括：1套主计算机系统、1套单通道收发NMR谱仪控制系统、1套射频功率放大器、1套NMR射频线圈、1组前置放大器等等。采用单线圈单通道收发的工作模式：即单个NMR射频线圈作为激发射频线圈和NMR 信号接收线圈，通过前置放大器控制单元，1套功率放大器，低噪声放大器，混频器和接收机的处理，最终得到NMR的FID 信号。

一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR方法，利用上述一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR装置，实现了对快速波动不稳定的时变磁场的快速精确测量，包括以下步骤：

步骤1、用霍尔效应法、法拉第电磁感应法或者法拉第磁光效应法等常规的磁场场强测量方法测量出常导电磁体磁场的场强初始值

，常规的磁场场强测量方法测量出常导电磁体磁场的场强初始值为场强粗略值；

其中，由于电磁体磁场受电源纹波影响，场强初始值

值存在一个快速波动含时扰动成分

，而且常规的磁场场强测量方法属于间接测量方法，以致场强测量值存在较大的系统误差，测量精度不到10^-2。另外，快速波动含时扰动成分

的电磁场波动幅度

与磁场场强相关，通常，电磁体场强越大，磁场波动幅度

越大。

步骤2、选择单通道收发NMR测量系统。本方法使用单通道收发NMR测量系统，采用单线圈单通道收发的工作模式，整机系统的主要部件包括：1套主计算机系统、1套单通道收发NMR谱仪控制系统、1套射频功率放大器、1套NMR射频线圈、1组前置放大器等等。

步骤3、根据单通道收发宽带变频伪二维谱NMR方法的脉冲序列，设置实验参数，具体包括设置射频（RF）激发脉冲的初始频率

，射频激发脉冲宽度

，第

个射频激发脉冲激发前的等待时间

，NMR信号累加次数n，第

个射频激发脉冲第n次NMR采样的等待时间为

，射频发射相位θ₁，NMR信号接收相位θ₂，NMR信号采样的带宽（又称谱宽）SW，采用宽带采样模式，变频的步进频率

，

次变频后的射频激发脉冲频率为

；

其中，

，γ为NMR样品检测核的旋磁比，

为常规磁场场强测量方法获得的场强测量值，

，C为整数，T为交流电周期，∆t为步进的时间参数，

，j为射频激发脉冲的序号，（j＞T/∆t），

为NMR样品检测核的纵向弛豫时间，NMR信号使用宽带采样：

，采用宽带采样模式，NMR信号累加相位循环，射频发射相位θ₁依次为（0°, 0°, 180°, 180°, 90°, 90°, 270°, 270°），NMR信号接收相位θ₂依次为（0°, 0°, 180°, 180°, 90°, 90°, 270°, 270°），变频的步进频率

；此处

表示往增大和减小发射频率的两个方向进行搜索。

步骤4、设置完实验参数后，开始NMR信号采样，第

次变频后

获得NMR时域信号组成增大发射频率搜索和减小发射频率搜索的2组NMR时域数据阵列，通过伪二维谱快速傅里叶变换（FFT）批处理方法，将2组NMR时域信号阵列变换为对应的频域信号阵列，

步骤5、通过频域信号阵列判断是否检测到NMR信号以及信号频率。如果没有检测到NMR信号，则i自加1返回步骤4；如果检测到NMR信号，则进入步骤6；

步骤6、通过伪二维谱FFT变换得到的频域信号阵列判别出真实NMR信号并读取出对应的NMR信号共振频率

，NMR样品检测核的旋磁比为γ，根据磁场场强B与NMR信号共振频率

之间的对应关系（

），计算得到相应时刻的磁场场强B。

通过该方法测得的不稳定电磁场场强大小精确度可达10^-6量级，而常规方法测的场强大小精度常不到10^-2量级。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例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作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超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过常规的磁场场强测量方法测量出常导电磁体磁场场强初始值

，常规的磁场场强测量方法为霍尔效应法、法拉第电磁感应法或者法拉第磁光效应法；

步骤2、选择单通道收发NMR测量系统，包括1套主计算机系统、1套单通道收发NMR谱仪控制系统、1套射频功率放大器、1套NMR射频线圈、1组前置放大器；

步骤3、设置各实验参数，包括设置射频激发脉冲的初始频率

，射频激发脉冲宽度

，第

个射频激发脉冲激发前的等待时间

，NMR信号累加次数n，第

个射频激发脉冲第n次NMR采样的等待时间为

，射频发射相位θ₁，NMR信号接收相位θ₂，NMR信号采样的带宽SW，采用宽带采样模式，变频的步进频率

，

次变频后的射频激发脉冲频率为

；

步骤4、开始NMR信号采样，第

次变频后获得NMR时域信号组成增大发射频率搜索和减小发射频率搜索的2组NMR时域数据阵列，通过伪二维谱快速傅里叶变换批处理方法，将2组NMR时域信号阵列变换为对应的频域信号阵列；

步骤5、通过频域信号阵列判断是否检测到NMR信号以及信号频率，如果没有检测到NMR信号，则i自加1返回步骤4；如果检测到NMR信号，则进入步骤6；

步骤6、通过频域信号阵列判别出真实NMR信号并读取出其NMR信号共振频率

，NMR样品检测核的旋磁比为γ，根据磁场场强B与NMR信号共振频率

之间的对应关系

，计算得到相应时刻的磁场场强B。

2.根据权利要求1所述的一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱NMR方法，其特征在于，所述的步骤3中：

，γ为NMR样品检测核的旋磁比，

，n为大于1的整数，C为整数，T为交流电周期，∆ t为步进的时间参数，

，j为射频激发脉冲序号，

为NMR样品检测核的纵向弛豫时间，

，采用宽带采样模式，射频发射相位θ₁依次为0°, 0°, 180°,180°, 90°, 90°, 270°, 270°，NMR信号接收相位θ₂依次为0°, 0°, 180°, 180°, 90°,90°, 270°, 270°，变频的步进频率

。

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