CN114518553B - 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

一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱nmr方法 Download PDF

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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：
Figure 597209DEST_PATH_IMAGE001
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：
Figure 710658DEST_PATH_IMAGE002
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
Figure 573572DEST_PATH_IMAGE003
，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
Figure 797880DEST_PATH_IMAGE004
，射频激发脉冲宽度
Figure 124956DEST_PATH_IMAGE005
，第
Figure 346990DEST_PATH_IMAGE006
个射频激发脉冲激发前的等待时间
Figure 759517DEST_PATH_IMAGE007
，NMR信号累加次数n，第
Figure 787516DEST_PATH_IMAGE008
个射频激发脉冲第n次NMR采样的等待时间为
Figure 139738DEST_PATH_IMAGE009
，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
Figure 594990DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 229233DEST_PATH_IMAGE011
次变频后的射频激发脉冲频率为
Figure 795344DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤4、开始NMR信号采样，第
Figure 34695DEST_PATH_IMAGE013
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
Figure 660849DEST_PATH_IMAGE014
，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
Figure 782389DEST_PATH_IMAGE014
之间的对应关系
Figure 355452DEST_PATH_IMAGE015
，计算得到相应时刻的磁场场强B。
如上所述的步骤3中：
Figure 511627DEST_PATH_IMAGE016
，γ为NMR样品检测核的旋磁比，
Figure 308682DEST_PATH_IMAGE017
，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，
Figure 589622DEST_PATH_IMAGE018
，j为射频激发脉冲序号，
Figure 497535DEST_PATH_IMAGE019
为NMR样品检测核的纵向弛豫时间，
Figure 508216DEST_PATH_IMAGE020
，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
Figure 177970DEST_PATH_IMAGE021
。
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
Figure 274102DEST_PATH_IMAGE022
与电磁场场强B相关，电磁场场强B越大，电磁场波动幅度
Figure 985706DEST_PATH_IMAGE023
越大，其波动周期为T；
Figure 522997DEST_PATH_IMAGE024
电磁场目标场强；
Figure 661855DEST_PATH_IMAGE025
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；
Figure 245283DEST_PATH_IMAGE026
磁体；
Figure 698261DEST_PATH_IMAGE027
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
Figure 417955DEST_PATH_IMAGE028
、初始周期为
Figure 727714DEST_PATH_IMAGE029
、脉冲宽度为
Figure 1700DEST_PATH_IMAGE030
；P是发射脉冲，
Figure 55107DEST_PATH_IMAGE031
表示射频发射相位；aq是采样时间，
Figure 894887DEST_PATH_IMAGE032
表示NMR信号接收相位；
Figure 546186DEST_PATH_IMAGE033
脉冲宽度；
Figure 838627DEST_PATH_IMAGE034
射频激发脉冲的初始频率；
Figure 164566DEST_PATH_IMAGE035
射频激发脉冲第1次变频后的频率；
Figure 593273DEST_PATH_IMAGE036
射频激发脉冲第i次变频后的频率；
Figure 979255DEST_PATH_IMAGE037
第1个脉冲射频激发前的等待时间；
Figure 493413DEST_PATH_IMAGE038
第2个脉冲射频激发前的等待时间；
Figure 623043DEST_PATH_IMAGE039
第
Figure 171836DEST_PATH_IMAGE040
个脉冲射频激发前的等待时间；
Figure 463140DEST_PATH_IMAGE041
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
Figure 464594DEST_PATH_IMAGE003
，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
Figure 397915DEST_PATH_IMAGE003
值存在一个快速波动含时扰动成分
Figure 801215DEST_PATH_IMAGE042
，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
Figure 761955DEST_PATH_IMAGE042
的电磁场波动幅度
Figure 250706DEST_PATH_IMAGE043
与磁场场强相关，通常，电磁体场强越大，磁场波动幅度
Figure 722138DEST_PATH_IMAGE044
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
Figure 979944DEST_PATH_IMAGE045
，射频激发脉冲宽度
Figure 878630DEST_PATH_IMAGE030
，第
Figure 854676DEST_PATH_IMAGE046
个射频激发脉冲激发前的等待时间
Figure 864221DEST_PATH_IMAGE047
，NMR信号累加次数n，第
Figure 242112DEST_PATH_IMAGE046
个射频激发脉冲第n次NMR采样的等待时间为
Figure 311700DEST_PATH_IMAGE048
，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
Figure 509463DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 322698DEST_PATH_IMAGE050
次变频后的射频激发脉冲频率为
Figure 555096DEST_PATH_IMAGE051
；
其中，
Figure 61164DEST_PATH_IMAGE016
，γ为NMR样品检测核的旋磁比，
Figure 2616DEST_PATH_IMAGE003
为常规磁场场强测量方法获得的场强测量值，
Figure 619543DEST_PATH_IMAGE052
，C为整数，T为交流电周期，∆t为步进的时间参数，
Figure 706447DEST_PATH_IMAGE053
，j为射频激发脉冲的序号，（j＞T/∆t），
Figure 117837DEST_PATH_IMAGE054
为NMR样品检测核的纵向弛豫时间，NMR信号使用宽带采样：
Figure 290192DEST_PATH_IMAGE055
，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
Figure 445230DEST_PATH_IMAGE056
；此处
Figure 652221DEST_PATH_IMAGE057
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
Figure 234512DEST_PATH_IMAGE058
次变频后
Figure 894163DEST_PATH_IMAGE059
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
Figure 852892DEST_PATH_IMAGE014
，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
Figure 383230DEST_PATH_IMAGE014
之间的对应关系（
Figure 667581DEST_PATH_IMAGE060
），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 (1)

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
Figure 780806DEST_PATH_IMAGE001
，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
Figure 894256DEST_PATH_IMAGE002
，射频激发脉冲宽度
Figure 819487DEST_PATH_IMAGE003
，第
Figure 512636DEST_PATH_IMAGE004
个射频激发脉冲激发前的等待时间
Figure 574133DEST_PATH_IMAGE005
，NMR信号累加次数n，第
Figure 858484DEST_PATH_IMAGE004
个射频激发脉冲第n次NMR采样的等待时间为
Figure 864486DEST_PATH_IMAGE006
，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
Figure 892485DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 74068DEST_PATH_IMAGE008
次变频后的射频激发脉冲频率为
Figure 263740DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤4、开始NMR信号采样，第
Figure 632405DEST_PATH_IMAGE008
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
Figure 198515DEST_PATH_IMAGE010
，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
Figure 500184DEST_PATH_IMAGE010
之间的对应关系
Figure 454233DEST_PATH_IMAGE011
，计算得到相应时刻的磁场场强B，
所述的步骤3中：
Figure 841352DEST_PATH_IMAGE012
，γ为NMR样品检测核的旋磁比，
Figure 211154DEST_PATH_IMAGE013
，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，
Figure 570591DEST_PATH_IMAGE014
，j为射频激发脉冲序号，
Figure 367646DEST_PATH_IMAGE015
为NMR样品检测核的纵向弛豫时间，
Figure 976481DEST_PATH_IMAGE016
，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
Figure 743449DEST_PATH_IMAGE017
。
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