CN116559740B - 一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的nmr方法与系统 - Google Patents
一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的nmr方法与系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116559740B CN116559740B CN202310251978.4A CN202310251978A CN116559740B CN 116559740 B CN116559740 B CN 116559740B CN 202310251978 A CN202310251978 A CN 202310251978A CN 116559740 B CN116559740 B CN 116559740B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nmr
- magnetic field
- external trigger
- radio frequency
- channel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 claims description 170
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 60
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 34
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 22
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 20
- 238000012565 NMR experiment Methods 0.000 claims description 10
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 8
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- -1 gadolinium ions Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910001437 manganese ion Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 31
- 238000011160 research Methods 0.000 description 11
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 8
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N Heavy water Chemical compound [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 2
- 229910001111 Fine metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 1
- 238000000655 nuclear magnetic resonance spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Abstract
本发明公开了一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统，系统主控模块分别与射频发射机、外触发模块以及多通道NMR信号接收机连接，射频发射机与射频功率放大器连接，射频功率放大器与多路功率分配器连接，多路功率分配器的每路输出端和对应的前置放大器的输入端通过对应的射频开关与对应的NMR射频线圈连接，各个前置放大器的输出端与多通道NMR信号接收机的对应输入端连接，外触发模块与外触发信号装置连接，射频开关由系统主控模块控制信号的收发切换。本发明还公开了一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法。本发明可以实现对脉冲强磁场峰值场强分布的精确测量，也可作为其它常规脉冲强磁场测量方法的校正参考。
Description
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脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法，还涉及一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统。
背景技术
高场核磁共振(NMR)是现代科学研究中不可缺少的谱学分析工具。由于更高场强意味着可获得更高质量的NMR谱图，因此用于NMR的磁体有向更高场强方向发展的强烈需求。目前，超导磁体产生的磁场最高只能达到32.35T，只有脉冲强磁场磁体才能够产生超过50T的强磁场，脉冲强磁场NMR研究可望为多个科研领域提供难得的研究机遇，但目前脉冲强磁场NMR研究仍然存在许多技术问题。
在NMR实验中，首先NMR信号被激发前样品已产生纵向宏观磁化矢量MZ，射频脉冲激发的有效频率带宽(ΔfRF)是脉冲激发时间(tp)成反比(ΔfRF～1/tp)，且非常有限(ΔfRF<2/tp)，NMR核磁共振频率处于[(f-ΔfRF/2)，(f+ΔfRF/2)]之间，NMR信号才能被有效激发。一般NMR实验的射频脉宽微秒量级，相应射频脉冲的有效激发带宽不到1MHz，NMR共振频率偏差超过1MHz就很难检测到NMR信号。超导磁体和永磁体产生的磁场是基本不随时间而变的稳定磁场，能够比较容易达到NMR条件。与之相比，脉冲强磁场磁体磁场励磁过程中产生的脉冲强磁场属于时变磁场(如图1所示)，场强随时间的快速变化，磁场持续时间很短，一般不超过1秒，特定频率射频只有在特定的一两个时间窗口才能有效激发核自旋，此时间窗口称为“NMR有效激发窗口”。稳定磁场的NMR有效激发窗口可以随时间持续不断的，而脉冲强磁场的NMR有效激发窗口很有限(<<1秒)，这也是脉冲强磁场下开展NMR实验比较困难的原因之一。当脉冲强磁场处于峰值(即场强最大值，dB/dt～0)附近时，NMR纵向宏观磁化矢量MZ有一个较大值，且峰值两侧附近存在一个相对较长时间的NMR有效激发窗口，更容易检测到NMR信号，是开展NMR实验最优的时间窗口，脉冲强磁场峰值/最大值是最值得关注磁体特征指标。
在核磁共振研究领域，人们不仅需要清楚磁场中心场强大小，更需要获得和掌握感兴趣磁场应用空间范围内的磁场场强大小及其空间分布(即场强分布)的精确值，磁场场强分布数据是衡量和表征磁场均匀度的磁体特征指标，决定了NMR仪器的实际可应用的空间和范围。电磁感应法是测量脉冲强磁场场强大小的最常用测量方法，属于相对测量法，存在较大系统误差，测量精度常不到10-2量级。对于磁场场强为50T的系统而言，1H NMR的核磁共振频率偏差可达21.288MHz。一般NMR实验的射频有效激发带宽很难达到1MHz，核磁共振频率偏差超过1MHz就很难检测到NMR信号，以致电磁感应法所获得的脉冲强磁场场强数据一般不能直接应用于NMR研究，其数据一般只能作为粗略的参考值。相对于常用磁场测量方法，理论上NMR方法测量强磁场的精度要高得多，其测量精度可达10-6量级，是强磁场测量方法中精度最高的，可作为其它常规强磁场测量方法所获数据的校正参考技术。
目前常规NMR测量磁场的方法是针对稳定磁场而设计的，对于稳定磁场，磁场中各测量点场强不随时间变化而变化，磁场场强分布测量常采用的是NMR单通道逐点测量出感兴趣空间各测量点的场强，这种测量方法的缺点工作效率不高，待测点越多检测时间越长。而脉冲强磁场属于不稳定的时变磁场，励磁过程中各测量点的场强随时间变化而变化，不同测量点不同时间点磁场场强的测量数据缺少相关性和可比性，常规NMR单通道逐点测量方法的难以准确测量脉冲强磁场场强分布。测量原理要求脉冲强磁场中各测量点的场强数据必须通过同时测量获得，即是多通道并行同步测量模式，才能确保数据可靠性和精度要求。
针对上述问题，本发明提出了一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法与系统。该方法可以实现对脉冲强磁场峰值场强分布的精确测量，与其它测量方法相比，其测量精度和效率都可以得到很大程度的提高，可作为其它常规脉冲强磁场测量方法的校正参考技术，该方法不仅可为脉冲强磁场NMR研究提供关键技术支持，还可为其他各类磁场场强大小及其空间分布的快速精确测量提供技术支持。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法与系统。与其它测量方法相比，其测量精度和效率都得到很大程度的提高，可作为其它常规脉冲强磁场测量方法的校正参考技术，该方法不仅可为脉冲强磁场NMR研究提供关键技术支持，还可为其他各类磁场场强大小及其空间分布的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：
一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统，包括系统主控模块，系统主控模块分别与射频发射机、外触发模块以及多通道NMR信号接收机连接，射频发射机与射频功率放大器的输入端连接，射频功率放大器的输出端与多路功率分配器的输入端连接，多路功率分配器的每路输出端和对应的前置放大器的输入端通过对应的射频开关与对应的NMR射频线圈连接，各个前置放大器的输出端与多通道NMR信号接收机的对应输入端连接，外触发模块与外触发信号装置连接，射频开关由系统主控模块控制信号的收发切换。
如上所述外触发多通道NMR测量系统采用外触发多通道并行同步采样模式进行各测量点的NMR并行同步采样，当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值σi1，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发多通道NMR测量系统开始进行多通道并行同步NMR采样；当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值σi2，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将对应的外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发多通道NMR测量系统停止采样，阈值σi1和σi2符号相反，每次脉冲强磁场励磁过程中获得的NMR时域信号组成为m组jmax列时域信号阵列。
一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统；
步骤2、在脉冲强磁场的磁体励磁过程中，励磁电源对空心的磁体进行励磁，使得磁体产生脉冲磁场，外触发信号装置测量励磁电流变化率dI0(t)/dt；
步骤3、选择NMR纵向弛豫时间T1<1ms的NMR样品；
步骤4、设置磁场分布的测量点数、磁场分布的空间位置以及对应NMR射频检测线圈；
步骤5、设置NMR实验参数，包括设置i次正负变频后的射频激发脉冲频率为f±i，f±i＝f0±i*Δf，±表示发射频率往增大和减小两个方向进行搜索，+i代表自初始频率开始沿频率增大搜索，-i代表自初始频率开始沿频率减小搜索；
步骤6、正负变频后，外触发多通道NMR测量系统采用外触发多通道并行同步采样模式进行各测量点的NMR并行同步采样，当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值σi1，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发多通道NMR测量系统开始进行多通道并行同步NMR采样；当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值σi2，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将对应的外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发多通道NMR测量系统停止采样，阈值σi1和σi2符号相反，每次脉冲强磁场励磁过程中获得的NMR时域信号组成为m组jmax列时域信号阵列；
步骤7、采用快速傅里叶变换将时域信号阵列的时域信号批处理变换为频域信号阵列，通过频域信号判断磁场各测量点是否检测到NMR信号，如果第i次正负变频后，所有测量点都检测到过NMR信号，则进入步骤8，如果有测量点一直没有检测到NMR信号，脉冲强磁场重新进行励磁，进行第i+1次正负变频返回步骤6；
步骤8、通过第i次正负变频后获得频域信号阵列判别出真实NMR信号并读取出NMR信号共振频率f，根据磁场场强B与NMR信号共振频率f之间的对应关系B＝2πf/γ，计算得到各测量点对应时间点的脉冲强磁场精确的场强大小，进而获得励磁过程中脉冲强磁场峰值附近时间点的NMR技术精确测量的磁场场强分布。
如上所述步骤3中NMR样品为粒径小于10微米的铜粉末或者粒径小于10微米的银粉末或者加入钆离子的水溶液或者加入锰离子的水溶液或者钆离子的重水溶液或者加入锰离子的重水溶液。
如上所述步骤5中设置NMR实验参数还包括设置射频激发脉冲的初始频率f0，f0＝γB0(t)max/2π，γ是为NMR样品检测核的旋磁比，B0(t)max是脉冲强磁场的峰值磁场大小，射频脉冲激发时间为tp，第j个射频激发脉冲激发的时间点TDj，TDj＝5(j-1)*T1，T1为纵向弛豫时间，相邻射频激发脉冲间隔为5T1-tp，NMR时域信号采样不累加，使用超宽带单次采样模式，超宽带采样的带宽为SW，所有的射频发射相位设为相同的固定值θ1，所有多通道的NMR信号接收相位设为相同的固定值θ2，射频变频的步进频率为Δf。
如上所述步骤5中，固定值θ1为0°或90°或180°或270°，固定值θ2为0°或90°或180°或270°，步进频率Δf≤1/tp。
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，为精确测量脉冲强磁场场强分布提供了新的思路，为脉冲强磁场NMR研究提供关键技术支持。本发明可作为其它常规脉冲强磁场测量方法的校正参考技术，还可为其他各类磁场场强大小及其空间分布的快速精确测量提供技术支持。
附图说明
图1为比较稳定磁场与脉冲强磁场励磁过程中磁场场强B和NMR纵向宏观磁化矢量MZ随时间变化示意图，稳定磁场不加射频激发时的NMR纵向宏观磁化矢量MZ保持稳定不随时间变化，加射频激发时，NMR频率处于有效激发带宽范围内，NMR有效激发窗口随时间持续不断的。与之相比，脉冲强磁场励磁开始后NMR纵向宏观磁化矢量MZ随着脉冲强磁场场强B增加而增加，当脉冲强磁场处于峰值(即场强最大值，dB/dt～0)附近时，NMR纵向宏观磁化矢量MZ有一个较大值，且峰值两侧附近存在一个相对较长时间的NMR有效激发窗口，是开展NMR实验最优的时间段，更容易检测到NMR信号；
图2为一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统的结构示意图；
图3为外触发多通道并行同步采样的脉冲序列示意图，其中，Pj是射频激发脉冲，Pj的下标为射频激发脉冲的序号，aq是采样时间，aq的下标为采样时间序号，“)”为分隔符，TD＝5(j-1)*T1为第j个射频脉冲激发时间点，f±i是第i次正负变频后的射频脉冲频率。
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1～3所示，一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统，包括：1套主计算机、1套外触发多通道NMR测量系统(包括系统主控模块、外触发模块、射频发射机和多通道NMR信号接收机等等)、1套射频功率放大器、1套多路功率分配器、1套外触发信号装置、多套NMR射频线圈、以及多组前置放大器等等。
主计算机与系统主控模块连接，系统主控模块还分别与射频发射机、外触发模块以及多通道NMR信号接收机连接，射频发射机与射频功率放大器的输入端连接，射频功率放大器的输出端与多路功率分配器的输入端连接，多路功率分配器的每路输出端和对应的前置放大器的输入端通过对应的射频开关与对应的NMR射频线圈连接。各个前置放大器的输出端与多通道NMR信号接收机的对应输入端连接，外触发模块与外触发信号装置连接，射频开关由系统主控模块控制信号的收发切换。
外触发多通道NMR测量系统采用采用外触发多通道并行同步采样模式，即多个NMR射频线圈分时作为激发射频线圈和NMR信号接收线圈，NMR射频线圈作为激发射频线圈时，射频开关切换至NMR射频线圈与多路功率分配器的对应的输出端连接，NMR射频线圈作为NMR信号接收线圈时，射频开关切换至NMR射频线圈与对应的前置放大器的输入端连接。
由于脉冲强磁场变化迅速，不同测量点不同时间点磁场场强的测量数据缺少相关性和可比性，常规NMR单通道逐点测量方法的难以准确测量脉冲强磁场场强分布。测量原理要求脉冲强磁场中各测量点的场强数据必须通过同时测量获得，即是多通道并行同步测量模式，才能确保数据可靠性和精度要求。
一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法，利用上述一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR装置，包括以下步骤：
步骤1、搭建上述精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统；主计算机与系统主控模块连接，系统主控模块还分别与射频发射机、外触发模块以及多通道NMR信号接收机连接，射频发射机与射频功率放大器的输入端连接，射频功率放大器的输出端与多路功率分配器的输入端连接，多路功率分配器的每路输出端以及对应的前置放大器的输入端通过对应的射频开关与对应的NMR射频线圈连接。各个前置放大器的输出端与多通道NMR信号接收机的对应输入端连接，外触发模块与外触发信号装置连接，射频开关由系统主控模块控制信号的收发切换。
步骤2、在脉冲强磁场(磁场强度大于20T)的磁体励磁过程中，励磁电源对空心的磁体进行励磁，使得磁体产生脉冲磁场，外触发信号装置测量出励磁电流I0(t)、励磁电流变化率dI0(t)/dt、励磁电压U0(t)及其励磁电流变化率dU0(t)/dt随时间变化曲线，通过电磁感应法测量出磁体中心磁场场强变化率dB0(t)/dt与磁体中心磁场场强B0(t)随时间变化曲线，以及磁体中心磁场峰值(即最大值)场强的初始值B0(t)max，测量出励磁电流与磁场之间的正比对应关系常数C，B0(t)＝C*I0(t)，dB0(t)/dt＝C*dI0(t)/dt；
步骤3、选择NMR纵向弛豫时间T1<1ms的超快弛豫的NMR样品，如粒径小于10微米的超细金属(铜或银等等)粉末NMR样品或加入弛豫试剂(钆离子或锰离子等等)的水溶液NMR样品或者加入弛豫试剂(钆离子或锰离子等等)的其他液体(如重水)的NMR样品，以便在脉冲强磁场短暂的励磁期间内，NMR样品能够快速产生NMR纵向宏观磁化矢量MZ，快速建立起产生NMR信号的基本前提条件；
步骤4、根据用户研究需求设置磁场分布的测量点数(m)、磁场分布的空间位置以及对应NMR射频检测线圈(m组)，各测量点的分布可根据测量条件设置为球形空间分布、均匀空间分布或按需求采用随形空间分布等等；
步骤5、设置NMR实验参数，包括设置射频激发脉冲的初始频率f0，f0＝γB0(t)max/2π，γ是为NMR样品检测核的旋磁比，是一个常数。B0(t)max是脉冲强磁场的峰值磁场大小，f0是初始频率，射频脉冲激发时间(又称脉宽)为tp，第j个射频激发脉冲激发的时间点TDj，TDj＝5(j-1)*T1，T1为纵向弛豫时间，相邻射频激发脉冲间隔为(5T1-tp)，NMR时域信号采样不累加，使用超宽带单次采样模式，超宽带采样的带宽为SW，SW>>1/tp，可选SW>10/tp，所有的射频发射相位设为相同的固定值θ1，θ1可选为(0°,90°,180°,270°)，所有多通道的NMR信号接收相位设为相同的固定值θ2，θ2可选为(0°,90°,180°,270°)，射频变频的步进频率Δf，Δf≤1/tp，i次正负变频后的射频激发脉冲频率为f±i，f±i＝f0±i*Δf，±表示发射频率往增大和减小两个方向进行搜索，+i代表自初始频率开始沿频率增大搜索，-i代表自初始频率开始沿频率减小搜索；
其中，γ是为NMR样品检测核的旋磁比，是一个常数。B0(t)max是脉冲强磁场的峰值磁场大小。
步骤6、正负变频后，外触发多通道NMR测量系统采用外触发多通道并行同步采样模式进行各测量点的NMR并行同步采样，外触发信号装置与脉冲强磁场系统的磁体励磁过程是联动关系，磁体励磁开始后，NMR样品随之产生纵向宏观磁化矢量MZ，快速建立起产生NMR信号的基本前提条件，当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值σi1，外触发信号装置输出一个外触发信号，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发多通道NMR测量系统开始进行多通道并行同步NMR采样；当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值σi2，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将对应的外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发多通道NMR测量系统停止采样，阈值σi1和σi2符号相反，确保脉冲强磁场峰值及其附近两侧期间能够进行NMR采样，每次脉冲强磁场励磁过程中获得的NMR时域信号组成为m组jmax列(m×jmax)时域信号阵列；
步骤7、采用快速傅里叶变换(FFT)将(m×jmax)时域信号阵列的时域信号批处理变换为(m×jmax)频域信号阵列，通过频域信号判断磁场各测量点是否检测到NMR信号。如果第i次正负变频(f±i)后，所有测量点都检测到过NMR信号(如果检测到NMR信号，通过傅里叶变化后会有很明显的信号谱峰，跟没检测到信号时区别很明显)，则进入步骤8，如果有测量点一直没有检测到NMR信号，脉冲强磁场重新进行励磁，进行第i+1次正负变频(f±(i+1))返回步骤6；
步骤8、通过第i次正负变频(f±i)后获得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f，根据磁场场强B与NMR信号共振频率f之间的对应关系B＝2πf/γ，计算得到各测量点对应时间点的脉冲强磁场精确的场强大小，即可获得励磁过程中脉冲强磁场峰值附近时间点的NMR技术精确测量的磁场场强分布。
需要注意的是，为了保证所测量的结果具有相关性和可比性，以上过程中所有测量点的测量是并行同步进行的。
通过该方法测得的脉冲强磁场场强分布精确度可达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 (4)
1.一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法，利用一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统，上述精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统包括外触发多通道NMR测量系统，外触发多通道NMR测量系统包括系统主控模块、外触发模块、射频发射机和多通道NMR信号接收机，系统主控模块分别与射频发射机、外触发模块以及多通道NMR信号接收机连接，射频发射机与射频功率放大器的输入端连接，射频功率放大器的输出端与多路功率分配器的输入端连接，多路功率分配器的每路输出端和对应的前置放大器的输入端通过对应的射频开关与对应的NMR射频线圈连接，各个前置放大器的输出端与多通道NMR信号接收机的对应输入端连接，外触发模块与外触发信号装置连接，射频开关由系统主控模块控制信号的收发切换，
所述外触发多通道NMR测量系统采用外触发多通道并行同步采样模式进行各测量点的NMR并行同步采样，当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发外触发多通道NMR测量系统开始进行多通道并行同步NMR采样；当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值/>，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将对应的外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发外触发多通道NMR测量系统停止采样，阈值/>和符号相反，每次脉冲强磁场励磁过程中获得的NMR时域信号组成为m组jmax列时域信号阵列，
其特征在于，上述方法包括以下步骤：
步骤1、搭建精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR系统；
步骤2、在脉冲强磁场的磁体励磁过程中，励磁电源对空心的磁体进行励磁，使得磁体产生脉冲磁场，外触发信号装置测量励磁电流变化率dI0(t)/dt；
步骤3、选择NMR纵向弛豫时间T1<1ms的NMR样品；
步骤4、设置磁场分布的测量点数、磁场分布的空间位置以及对应NMR射频检测线圈；
步骤5、设置NMR实验参数，包括设置i次正负变频后的射频激发脉冲频率为f±i，，±表示发射频率往增大和减小两个方向进行搜索，+i代表自初始频率开始沿频率增大搜索，-i代表自初始频率开始沿频率减小搜索；
步骤6、正负变频后，外触发多通道NMR测量系统采用外触发多通道并行同步采样模式进行各测量点的NMR并行同步采样，当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发外触发多通道NMR测量系统开始进行多通道并行同步NMR采样；当外触发信号装置检测到励磁电流变化率dI0(t)/dt达到设定的阈值/>，外触发信号装置输出对应的外触发信号到外触发模块，外触发模块将对应的外触发信号转发到系统主控模块，系统主控模块触发外触发多通道NMR测量系统停止采样，阈值/>和/>符号相反，每次脉冲强磁场励磁过程中获得的NMR时域信号组成为m组jmax列时域信号阵列；
步骤7、采用快速傅里叶变换将时域信号阵列的时域信号批处理变换为频域信号阵列，通过频域信号判断磁场各测量点是否检测到NMR信号，如果第i次正负变频后，所有测量点都检测到过NMR信号，则进入步骤8，如果有测量点一直没有检测到NMR信号，脉冲强磁场重新进行励磁，进行第i+1次正负变频返回步骤6；
步骤8、通过第i次正负变频后获得频域信号阵列判别出真实NMR信号并读取出NMR信号共振频率f，根据磁场场强B与NMR信号共振频率f之间的对应关系B=2πf/γ，计算得到各测量点对应时间点的脉冲强磁场精确的场强大小，进而获得励磁过程中脉冲强磁场峰值附近时间点的NMR技术精确测量的磁场场强分布。
2.根据权利要求1所述一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法，其特征在于，所述步骤3中NMR样品为粒径小于10微米的铜粉末或者粒径小于10微米的银粉末或者加入钆离子的水溶液或者加入锰离子的水溶液或者钆离子的重水溶液或者加入锰离子的重水溶液。
3.根据权利要求2所述一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法，其特征在于，所述步骤5中设置NMR实验参数还包括设置射频激发脉冲的初始频率f0，f0=γB0(t)max/2π，γ是为NMR样品检测核的旋磁比，B0(t)max是脉冲强磁场的峰值磁场大小，射频脉冲激发时间为tp，第j个射频激发脉冲激发的时间点TDj，，T1为纵向弛豫时间，相邻射频激发脉冲间隔为5T1-tp，NMR时域信号采样不累加，使用超宽带单次采样模式，超宽带采样的带宽为SW，所有的射频发射相位设为相同的固定值θ1，所有多通道的NMR信号接收相位设为相同的固定值θ2，射频变频的步进频率为Δf。
4.根据权利要求3所述一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的NMR方法，其特征在于，所述步骤5中，固定值θ1为0°或 90°或180°或270°，固定值θ2为0°或 90°或180°或270°，步进频率Δf≤1/tp。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310251978.4A CN116559740B (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的nmr方法与系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310251978.4A CN116559740B (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的nmr方法与系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116559740A CN116559740A (zh) | 2023-08-08 |
| CN116559740B true CN116559740B (zh) | 2024-01-12 |
Family
ID=87486847
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310251978.4A Active CN116559740B (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的nmr方法与系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116559740B (zh) |
Citations (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1155472A (fr) * | 1954-12-30 | 1958-05-05 | Schlumberger Well Surv Corp | Appareil à résonance magnétique |
| US4573015A (en) * | 1982-08-31 | 1986-02-25 | Asahikawa Medical College | Method of measuring internal information from a target by using nuclear magnetic resonance |
| EP0265956A2 (en) * | 1986-10-29 | 1988-05-04 | Hitachi Medical Corporation | Method for correcting position deviation due to static magnetic field change in NMR imaging device |
| US4965520A (en) * | 1987-12-15 | 1990-10-23 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Magnetic resonance imaging method |
| EP0465068A2 (en) * | 1990-06-29 | 1992-01-08 | The Regents Of The University Of California | Switched field magnetic resonance imaging |
| DE4227162A1 (de) * | 1992-08-17 | 1994-02-24 | Siemens Ag | Iteratives Shim-Verfahren für einen Grundfeldmagneten eines Kernspintomographiegerätes |
| WO1998053738A1 (fr) * | 1997-05-30 | 1998-12-03 | Hitachi Medical Corporation | Procede et systeme d'imagerie par rmn |
| JP2001231764A (ja) * | 2000-02-22 | 2001-08-28 | Hitachi Ltd | 核磁気共鳴撮影装置 |
| JP2007050278A (ja) * | 2006-10-27 | 2007-03-01 | Hitachi Medical Corp | 核磁気共鳴撮影装置 |
| JP2007121037A (ja) * | 2005-10-26 | 2007-05-17 | Keio Gijuku | 磁気共鳴法を用いて試料中のプロトン性溶媒の挙動の分布を測定する測定装置、測定方法およびプログラム |
| JP2008017925A (ja) * | 2006-07-11 | 2008-01-31 | Hitachi Medical Corp | 核磁気共鳴撮像装置 |
| CN101140319A (zh) * | 2007-10-31 | 2008-03-12 | 中山大学 | 一种周期动态磁化的光-磁同步磁光测试方法 |
| JP2009085736A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Jeol Ltd | Ｎｍｒ測定方法 |
| CN103839650A (zh) * | 2014-04-02 | 2014-06-04 | 南京农业大学 | 脉冲强磁场装置及磁体的制作方法 |
| CN108562800A (zh) * | 2018-05-07 | 2018-09-21 | 西安交通大学 | 纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法 |
| CN207965113U (zh) * | 2018-04-04 | 2018-10-12 | 中国人民解放军61489部队 | 低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置 |
| JP2018183292A (ja) * | 2017-04-24 | 2018-11-22 | 株式会社日立製作所 | 磁気共鳴撮像装置 |
| CN110346398A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-10-18 | 武汉中科牛津波谱技术有限公司 | 一种磁共振探头矢量调谐检测装置和方法 |
| CN110531291A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-12-03 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构 |
| CN111381199A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-07 | 华中科技大学 | 一种脉冲强磁场光学测量系统及方法 |
| CN112397272A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-02-23 | 北京航空航天大学 | 基于电容的磁场装置及使用该磁场装置的测试系统 |
| CN113050014A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-06-29 | 中国工程物理研究院计量测试中心 | 一种低频脉冲磁场传感器灵敏度系数标定方法及系统 |
| CN213988470U (zh) * | 2020-10-20 | 2021-08-17 | 北京航空航天大学 | 基于电容的磁场装置及使用该磁场装置的测试系统 |
| CA3132543A1 (en) * | 2020-09-29 | 2022-03-29 | Terra Quantum AG | Techniques for determining a nuclear magnetic resonance relaxation time and/or a nuclear magnetic resonance spectrum of a probe |
| CN114487954A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-05-13 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | 一种精确测量电磁体场强及分布的多通道收发nmr方法 |
| CN114910854A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-08-16 | 华中科技大学 | 一种脉冲强磁场下核磁共振fid信号相位校正方法 |
| CN114994418A (zh) * | 2022-03-13 | 2022-09-02 | 中国人民解放军92728部队 | 一种重频变化或跳频脉冲信号辐射场场强的时域测量方法 |
| CN115542210A (zh) * | 2022-11-25 | 2022-12-30 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | 一种高信噪比、短收发切换时间的dnp磁传感器 |
| CN115561686A (zh) * | 2022-10-09 | 2023-01-03 | 中国科学院物理研究所 | 脉冲磁性测量装置和方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7388375B2 (en) * | 2003-12-12 | 2008-06-17 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. | Method and apparatus for magnetic resonance spectroscopy |
-
2023
- 2023-03-16 CN CN202310251978.4A patent/CN116559740B/zh active Active
Patent Citations (30)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1155472A (fr) * | 1954-12-30 | 1958-05-05 | Schlumberger Well Surv Corp | Appareil à résonance magnétique |
| US4573015A (en) * | 1982-08-31 | 1986-02-25 | Asahikawa Medical College | Method of measuring internal information from a target by using nuclear magnetic resonance |
| EP0265956A2 (en) * | 1986-10-29 | 1988-05-04 | Hitachi Medical Corporation | Method for correcting position deviation due to static magnetic field change in NMR imaging device |
| US4965520A (en) * | 1987-12-15 | 1990-10-23 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Magnetic resonance imaging method |
| EP0465068A2 (en) * | 1990-06-29 | 1992-01-08 | The Regents Of The University Of California | Switched field magnetic resonance imaging |
| DE4227162A1 (de) * | 1992-08-17 | 1994-02-24 | Siemens Ag | Iteratives Shim-Verfahren für einen Grundfeldmagneten eines Kernspintomographiegerätes |
| WO1998053738A1 (fr) * | 1997-05-30 | 1998-12-03 | Hitachi Medical Corporation | Procede et systeme d'imagerie par rmn |
| JP2001231764A (ja) * | 2000-02-22 | 2001-08-28 | Hitachi Ltd | 核磁気共鳴撮影装置 |
| JP2007121037A (ja) * | 2005-10-26 | 2007-05-17 | Keio Gijuku | 磁気共鳴法を用いて試料中のプロトン性溶媒の挙動の分布を測定する測定装置、測定方法およびプログラム |
| JP2008017925A (ja) * | 2006-07-11 | 2008-01-31 | Hitachi Medical Corp | 核磁気共鳴撮像装置 |
| JP2007050278A (ja) * | 2006-10-27 | 2007-03-01 | Hitachi Medical Corp | 核磁気共鳴撮影装置 |
| JP2009085736A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Jeol Ltd | Ｎｍｒ測定方法 |
| CN101140319A (zh) * | 2007-10-31 | 2008-03-12 | 中山大学 | 一种周期动态磁化的光-磁同步磁光测试方法 |
| CN103839650A (zh) * | 2014-04-02 | 2014-06-04 | 南京农业大学 | 脉冲强磁场装置及磁体的制作方法 |
| JP2018183292A (ja) * | 2017-04-24 | 2018-11-22 | 株式会社日立製作所 | 磁気共鳴撮像装置 |
| CN207965113U (zh) * | 2018-04-04 | 2018-10-12 | 中国人民解放军61489部队 | 低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置 |
| CN108562800A (zh) * | 2018-05-07 | 2018-09-21 | 西安交通大学 | 纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法 |
| CN110346398A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-10-18 | 武汉中科牛津波谱技术有限公司 | 一种磁共振探头矢量调谐检测装置和方法 |
| CN110531291A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-12-03 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种强磁场凝聚态核磁共振谱仪系统的拓扑结构 |
| CN111381199A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-07 | 华中科技大学 | 一种脉冲强磁场光学测量系统及方法 |
| CA3132543A1 (en) * | 2020-09-29 | 2022-03-29 | Terra Quantum AG | Techniques for determining a nuclear magnetic resonance relaxation time and/or a nuclear magnetic resonance spectrum of a probe |
| CN114325526A (zh) * | 2020-09-29 | 2022-04-12 | 特拉量子股份公司 | 确定探针的核磁共振弛豫时间和/或核磁共振谱的技术 |
| CN112397272A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-02-23 | 北京航空航天大学 | 基于电容的磁场装置及使用该磁场装置的测试系统 |
| CN213988470U (zh) * | 2020-10-20 | 2021-08-17 | 北京航空航天大学 | 基于电容的磁场装置及使用该磁场装置的测试系统 |
| CN113050014A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-06-29 | 中国工程物理研究院计量测试中心 | 一种低频脉冲磁场传感器灵敏度系数标定方法及系统 |
| CN114994418A (zh) * | 2022-03-13 | 2022-09-02 | 中国人民解放军92728部队 | 一种重频变化或跳频脉冲信号辐射场场强的时域测量方法 |
| CN114487954A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-05-13 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | 一种精确测量电磁体场强及分布的多通道收发nmr方法 |
| CN114910854A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-08-16 | 华中科技大学 | 一种脉冲强磁场下核磁共振fid信号相位校正方法 |
| CN115561686A (zh) * | 2022-10-09 | 2023-01-03 | 中国科学院物理研究所 | 脉冲磁性测量装置和方法 |
| CN115542210A (zh) * | 2022-11-25 | 2022-12-30 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | 一种高信噪比、短收发切换时间的dnp磁传感器 |
Non-Patent Citations (10)
| Title |
|---|
| 0.22THz回旋管振荡器的研制与实验;鄢扬;刘盛纲;黎晓云;傅文杰;袁学松;;科学通报(第04期);全文 * |
| 一种用于高场MRI的多源射频发射机;何刚;王为民;;波谱学杂志(第03期);全文 * |
| 优化重聚脉冲提高梯度场核磁共振信号强度;李新;肖立志;刘化冰;张宗富;郭葆鑫;于慧俊;宗芳荣;;物理学报(第14期);全文 * |
| 何刚 ; 王为民 ; .一种用于高场MRI的多源射频发射机.波谱学杂志.2017,(第03期),全文. * |
| 太赫兹宽带调频脉冲回旋管;戚向波;杜朝海;潘石;刘濮鲲;;中国科学:信息科学(第12期);全文 * |
| 对称脉冲强磁场发生器的研制;吴撼宇;孙铁平;蒯斌;丛培天;黄涛;;强激光与粒子束(第04期);全文 * |
| 张顺起 ; 刘志朋 ; 靳静娜 ; 李颖 ; 殷涛 ; .感应式磁声耦合成像脉冲磁场激励源的设计.医疗卫生装备.2010,(第09期),全文. * |
| 感应式磁声耦合成像脉冲磁场激励源的设计;张顺起;刘志朋;靳静娜;李颖;殷涛;;医疗卫生装备(第09期);全文 * |
| 李新 ; 肖立志 ; 刘化冰 ; 张宗富 ; 郭葆鑫 ; 于慧俊 ; 宗芳荣 ; .优化重聚脉冲提高梯度场核磁共振信号强度.物理学报.2013,(第14期),全文. * |
| 脉冲磁场刺激仪的研制;文峻;屈学民;杨继庆;王斯刚;龙开平;;医疗卫生装备(第11期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116559740A (zh) | 2023-08-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0605948B1 (en) | Improvements relating to sample monitoring | |
| US7378845B2 (en) | NMR methods for measuring fluid flow rates | |
| Cho et al. | A high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer for multi-dimensional, multi-frequency, and multi-phase pulsed measurements | |
| Demas et al. | Portable, low-cost NMR with laser-lathe lithography produced microcoils | |
| CN114518553B (zh) | 一种精确测量电磁体场强的宽带变频伪二维谱nmr方法 | |
| Meier et al. | NMR signal averaging in 62 T pulsed fields | |
| CN114487954B (zh) | 一种精确测量电磁体场强及分布的多通道收发nmr方法 | |
| CA2424034A1 (en) | Nmr sequence for optimizing instrument electrical power usage | |
| CN116559740B (zh) | 一种精确测量脉冲强磁场峰值场强分布的nmr方法与系统 | |
| Rahmatallah et al. | NMR detection and one-dimensional imaging using the inhomogeneous magnetic field of a portable single-sided magnet | |
| Yoder et al. | Exploring the Limits of Overhauser Dynamic Nuclear Polarization (O-DNP) for Portable Magnetic Resonance Detection of Low γ Nuclei | |
| CN111044960A (zh) | 基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法和装置 | |
| US5317262A (en) | Single shot magnetic resonance method to measure diffusion, flow and/or motion | |
| CN115656901A (zh) | 一种用于毫特斯拉级别磁场测量的磁共振磁强计装置 | |
| FI80797C (fi) | Maetningsprocedur foer att fraon nmr-signaler avlaegsna stoerningar genom jaemfoerelse av i olika riktningar roterande rf-faeltkomponenter. | |
| Heller et al. | Application of rotational resonance to inhomogeneously broadened systems | |
| Seliger et al. | Double resonance experiments in low magnetic field: Dynamic polarization of protons by 14N and measurement of low NQR frequencies | |
| Shi et al. | Optimization of shaped pulses for radio frequency excitation in NMR logging | |
| Tseytlin et al. | Decoupling of excitation and receive coils in pulsed magnetic resonance using sinusoidal magnetic field modulation | |
| Kim et al. | Polarization enhancement technique for nuclear quadrupole resonance detection | |
| Laurinavičius | Helicon resonator based strong magnetic field sensor | |
| CN110687156A (zh) | 一种可变场核磁共振系统及核磁共振信号测量方法 | |
| CN114002257B (zh) | 利用动态核极化增强退极化时间的快速测量二维弛豫的方法 | |
| CN117129920B (zh) | 一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置与方法 | |
| Rodríguez | Magnetron surface coil for brain MR imaging |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |