CN217085237U - 一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，包括框架箱体、水箱、水管、示波器、流量调节阀；所述框架箱体设有工作台板，所述水箱包括箱体及位于箱体中的水泵，所述框架箱体设有位于工作台板上的预极化器、流量计、三维测量线圈、边限振荡器、检测线圈。该利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，只要测量线圈处发生了共振，检测线圈处的核磁共振信号幅度就会受到明显的影响，因此测量线圈内的平均磁场仍然可以被准确测量，受磁场不均性的影响小得多，同时不仅能测量强磁场和均匀磁场，也可以测量弱磁场和非均匀磁场、测量弛豫时间t₁、观察章动现象，功能完备，应用性强。

Description

一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器

技术领域

本实用新型涉及核磁共振技术领域，特别涉及一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器。

背景技术

作为测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，核磁共振是物理学、化学、生物学研究中的一种重要而强大的实验手段，在高等院校中常会使用到核磁共振实验装置。

如图9所示的核磁共振原理示意图，核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的，原子核是带正电荷的例子，不能自旋的核没有磁矩，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，形成磁矩，将自旋核置于一均匀外磁场B₀中，除自旋外，还会绕B₀运动，这种运动情况称为拉莫尔进动，在与外磁场B₀垂直的方向上施加一个频率为v的交变射频场B₁，当v与核的回旋v₀相等时，自旋核能够吸收射频场的能量，由低能级的自旋状态跃迁至高能级的自旋状态，产生自旋的倒转和共振吸收信号，这种现象叫核磁共振。

但高等院校所使用的仪器通常是稳态固定样品核磁共振，利用固体样品进行核磁共振实验测量磁场强度，且只能测量300GS(2400A/m)上的磁场，当实验系统的磁场均匀度大于10^-4/cm时，核磁共振信号会产生严重的非均匀加宽，甚至消失，因此仅能应用于测量较均匀的磁场，也仅能测量磁场强度较大的磁场，且现有的核磁共振实验仪，仅能测量仪器本身的磁场，同时该种仪器功能较为单一，应用效果不佳。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，包括框架箱体、水箱、水管、示波器、流量调节阀；

所述框架箱体设有工作台板，所述水箱包括箱体及位于箱体中的水泵，所述框架箱体设有位于工作台板上的预极化器、流量计、三维测量线圈、边限振荡器、检测线圈；

所述预极化器的两侧设有预极化磁场，所述检测线圈的两侧设有检测磁场，所述三维测量线圈通过电线连接有测量信号源，所述测量信号源通过电线连接有频率计、电压表，所述边限振荡器通过电线与示波器、电压表电连接；

所述水泵、预极化器、流量调节阀、流量计、箱体依次通过水管连接，所述检测线圈设置在水管的表面位于三维测量线圈与流量调节阀之间；

所述框架箱体设有位于工作台板下方的电箱。

优选的，所述预极化器的形状为矩形，且设有两个与水管相互适配的接头，所述预极化器设有连通两个接头的环形管路。

优选的，还包括流动样品管，所述流动样品管有两个，所述流动样品管为“U”型的玻璃管，两个所述流动样品管均连接在水管上位于预极化器和流量调节阀之间的部分，所述三维测量线圈缠绕在流动样品管的中部，所述检测线圈缠绕在另一个流动样品管的中部；

所述水管为橡胶软管。

优选的，所述框架箱体还包括位于工作台板上方的线圈支架，所述线圈支架包括底座、支座，所述支座固定在底座上；

其中一个所述流动样品管穿过线圈支架，所述的三维测量线圈缠绕在流动样品管上穿出线圈支架的部分，所述线圈支架上设有信号线联接插孔；所述线圈支架还设有垂直方向转动锁紧钉和水平方向转动锁紧钉。

优选的，所述框架箱体的底面设有底脚。

本实用新型所达到的有益效果是：

1、该利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，可通过水泵驱动使得水箱中的水沿着水管流动最后回到水箱中，再通过该仪器中的各种设备的相互配合，达到进行各项实验的目的，同时避免了现有技术中的利用固态样品做核磁共振实验时核磁共振信号会产生严重的非均匀加宽的现象，即使被测磁场非常不均匀，只要测量线圈处发生了共振，检测线圈处的核磁共振信号幅度就会受到明显的影响，因此测量线圈内的平均磁场仍然可以被准确测量，受磁场不均性的影响小得多，同时不仅能测量强磁场和均匀磁场，也可以测量弱磁场和非均匀磁场、测量弛豫时间t₁、观察章动现象，功能完备，应用性强。

2、该利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，通过将各种仪器集中放置在框架箱体中，能够有效的减小该利用流动的液体来精确测量磁场的仪器的占用空间，且较为整齐，有利于实验时的操作和观察。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型实施例的工作原理框架示意图；

图2是本实用新型实施例的框架箱体及各仪器的装配示意图；

图3是本实用新型实施例的水箱及水泵的示意图；

图4是图2的侧视示意图；

图5是本实用新型实施例的线圈支架的结构示意图；

图6是图5的侧视示意图；

图7是图5的俯视示意图；

图8是本实用新型实施例的示波器的外观示意图；

图9是核磁共振原理示意图；

图10是测量豫驰时间时核磁共振信号幅度随时间的衰减示意图，其中的实线为按指数规律的拟合；

图11是测量强磁场时检测线圈处的频率波形图；

图12是测量弱磁场时检测线圈处的核磁共振达到最佳状态的波形图；

图13是测量弱磁场时测量线圈处发生了较强的共振时的波形图；

图14是测量弱磁场时第一峰幅度——频率曲线；

图15是观察章动效应时所得到的曲线图；

图16是磁矩位能变化示意图之一；

图17是预极化器的结构示意图；

图18是图17的侧视示意图；

图19是水管的外观示意图。

图中：1、框架箱体；101、工作台板；102、电箱；103、预极化器；104、流量计；105、线圈支架；1051、底座；1052、支座；1053、垂直方向转动锁紧钉；1054、水平方向转动锁紧钉；106、三维测量线圈；107、信号线联接插孔；108、边限振荡器；109、检测线圈；2、水箱；201、箱体；202、水泵；3、水管；4、示波器；5、流量调节阀；6、测量信号源；7、频率计；8、电压表；9、流动样品管。

具体实施方式

以下将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

如图1-19所示，本实用新型提供了一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，包括框架箱体1、水箱2、水管3、示波器4、流量调节阀5、流动样品管9，流动样品管9有两个，水箱2包括箱体201及位于箱体201中的水泵202，框架箱体1设有工作台板101，框架箱体1设有位于工作台板101上的预极化器103、流量计104、线圈支架105、三维测量线圈106、边限振荡器108、检测线圈109，预极化器103的两侧设有预极化磁场，预极化器103的形状为矩形，且设有两个与水管3相互适配的接头，预极化器103设有连通两个接头的环形管路，当流动的液体在水泵202的作用下，逐渐进入到预极化器103中时，由于预极化器103中的环形管路较长，在其中的液体受到预极化器两侧的预极化磁场的作用时间较长，使得液体能够充分的磁化，检测线圈109的两侧设有检测磁场，三维测量线圈106通过电线连接有测量信号源6，测量信号源6通过电线连接有频率计7、电压表8，线圈支架105包括底座1051、支座1052，支座1052固定在底座1051上，流动样品管9的中部穿过线圈支架105，三维测量线圈106缠绕在其中一个“U”型的流动样品管9的中部，线圈支架105还设有垂直方向转动锁紧钉1053和水平方向转动锁紧钉1054，线圈支架105上设有信号线联接插孔107，边限振荡器108通过电线与示波器4、电压表8电连接，水泵202、预极化器103、两个流动样品管9、流量调节阀5、流量计104、箱体201依次通过水管3连接，检测线圈109缠绕在另一个流动样品管9上，且位于三维测量线圈106与流量调节阀5之间，框架箱体1设有位于工作台板101下方的电箱102，电箱102用于控制整个装置的电流通断以及电流、电压的强弱，以及控制频率计7的频率，使得整个装置便于操作人员控制，避免了工作环境的散乱，提高了工作效率，框架箱体1的底面设有底脚。

综上所述，在使用该仪器进行核磁共振实验时，可通过该仪器进行的实验项目包括纵向预驰时间t₁的测量、强磁场测量、实验室空间磁场大小测量、观察章动现象、利用三维测量线圈测量待测磁场的空间矢量场等。

首先开启水泵202、示波器4、电箱102，控制电箱102使得电源接通，打开流量调节阀5，水从水泵202开始从水管3中依次流过预极化器103、流动样品管9、流量调节阀5、流量计104后流回箱体201中，调整流量计104使水的流量达到最大，调节电箱102上的频率计7的幅值调节，调整三维测量线圈106上的电压V₁到零,控制电箱102，调整边限振荡器108的频率和振荡状态，使共振信号最强。

参照图10，测量纵向预驰时间t₁时，通过流量调节阀5改变水的流量，测量共振信号第一峰的幅度与流量之间的关系，将流量转换为时间(水路长度1.5m，内径3mm)，得到A(t)曲线，如图所示，水中的质子在预极化器103中被磁化离开预极化器103后，磁化强度M按指数规律随着时间衰减，调节电箱102上频率计7的幅值调节，调整三维测量线圈106上的电压v₁到零，使该处不发生共振，通过控制电箱102调整边限振荡器108的频率和振荡状态，使共振信号最强，当从预极化器103到三维测量线圈106再到检测线圈109的水路的直径、长度固定后，水从预极化器103流到检测线圈109的时间就只是流量的函数，流量越大，时间越短，因此可以由流量计算得到时间，共振信号的幅度A与磁化强度M正比，因此用A表示M，将图10中实验数据按指数

拟合，可得到纵向弛豫时间t₁。

参照图11，进行强磁场测量时，调整检测线圈109信号的频率f₂，使共振信号等间距，由公式H＝0.023487f计算可得到永磁铁的磁场值。H以T(特斯拉)为单位，f以MHz为单位。

参照图12-14，进行实验室空间磁场大小测量时，首先将检测线圈109调整到最佳共振状态：调节电箱102上的频率计7的幅值调节，将三维测量线圈106的电压v₁调整到零，通过流量调节阀5将水流量调整到最大，调整检测线圈109的频率和幅度调整旋钮，使示波器4上的核磁共振信号第一个峰的幅度最高，如图12所示，第一个峰为正，代表质子从检测线圈109中吸收了能量，调整三维测量线圈106处的共振，到最佳状态，标志是核磁共振信号第一峰的幅度出现最大的下降，三维测量线圈106信号的幅度和频率对该处的共振状态都有影响，应分别、反复调整，具体方法为：①调节电箱102上的频率计7的幅值调节，先给三维测量线圈106加一个比较小的电压v₁，然后调整频率f₁，在某一频率附近会观察到共振信号第一个峰的幅度明显下降，仔细调整频率，使信号的幅度下降达到最大，甚至出现负值，如图13所示，此时的频率即为共振频率(记为f₁′)；②调节电箱102上的频率及幅值调节，将频率调整到f₁′，重新调整电压v₁，使信号第一峰的幅度进一步下降，直至最低；③保持电压v₁不变，调整f₁，测量信号第一峰幅度—频率曲线A(f₁)；根据公式H＝0.023487f，由中心频率计算得到实验室空间磁场的平均值，需要指出的是，此时三维测量线圈106测量的磁场为垂直于线圈轴向的平面内的最大磁场，如此时线圈轴向沿着z方向，测量的磁场为H_x和H_y的矢量和H_xy，

将测量线圈旋转，可以测量被测磁场另外两个分量H_yz和H_xz最后通过方程解出H_x、H_y、H_z。

参照图15-16，观察章动效应时，调节电箱102上频率调节，将频率固定到中心频率，逐渐增加三维测量线圈106信号v₁的强度，得到图15所示的曲线，可见信号的幅度A是三维测量线圈106电压v₁的周期函数，其物理过程解释如下：发生共振时，磁矩M转过的角度与交变磁场

的强度和作用时间成正比，即

当水的流速固定之后，水通过三维测量线圈106和检测线圈109的时间都是不变的常数，检测线圈109的交变磁场强度

不变，因此水流经检测线圈109时转过的角度θ₂是一个固定值，增加测量线圈交变信号v₁的幅度，磁场

的随着增加，水流经三维测量线圈106后M转过的角度θ₁也随之增加，磁矩在磁场中的位能为-μ₀HMCosθ,流经检测线圈109前后，核磁矩位能的变化为-μ₀HMCos(θ₁+θ₂)+μ₀HMCosθ₁＝-2μ₀HMSin(θ₁+(θ₂/2))Sin(θ₂/2),可见位能的变化是θ₁的周期性函数，示波器4上信号第一峰的幅度A与位能的变化成正比，θ₁与测量线圈的交变磁场

即电压v₁成正比，因此A是v₁的周期函数，即图15所示的曲线，在图16a所示的情形中，通过检测线圈109后磁矩M的位能增加，磁矩从检测线圈109吸收能量，共振信号的幅度为正，在图16b中，通过检测线圈109后磁矩M的位能增加不发生改变，因此不与检测线圈109交换能量，信号的幅度为零，在图16C中，M在通过检测线圈109后位能减小，此时核磁矩不仅不向检测线圈109吸收能量，反而会放出能量，导致信号第一峰出现负值。

另外，该仪器可用于测量磁场强度，需要指出的是，实验室空间磁场的测量就是利用三维测量线圈106测量磁场强度的特例，在测量时，将仪器重新调整至测量模式(检测线圈调整到最佳共振状态)，将三维测量线圈106放置在待测磁场内,打开三维测量线圈106的信号开关，观察示波器4的信号，调整信号源频率，直到观察到信号出现负极大，此时对应的频率，即是该磁场对应的频率，根据公式H＝0.023487f，即可换算此磁场强度。

测量磁场的不均匀度时，由图15中曲线的半高宽，根据公式H＝0.023487f可计算得到三维测量线圈106体积内磁场的不均匀度。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，包括框架箱体（1）、水箱（2）、水管（3）、示波器（4）、流量调节阀（5）；

所述框架箱体（1）设有工作台板（101），所述水箱（2）包括箱体（201）及位于箱体（201）中的水泵（202），其特征在于，所述框架箱体（1）设有位于工作台板（101）上的预极化器（103）、流量计（104）、三维测量线圈（106）、边限振荡器（108）、检测线圈（109）；

所述预极化器（103）的两侧设有预极化磁场，所述检测线圈（109）的两侧设有检测磁场，所述三维测量线圈（106）通过电线连接有测量信号源（6），所述测量信号源（6）通过电线连接有频率计（7）、电压表（8），所述边限振荡器（108）通过电线与示波器（4）、电压表（8）电连接；

所述水泵（202）、预极化器（103）、流量调节阀（5）、流量计（104）、箱体（201）依次通过水管（3）连接，所述检测线圈（109）设置在水管（3）的表面位于三维测量线圈（106）与流量调节阀（5）之间；

所述框架箱体（1）设有位于工作台板（101）下方的电箱（102）。

2.根据权利要求1所述的一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，其特征在于，所述预极化器（103）的形状为矩形，且设有两个与水管（3）相互适配的接头，所述预极化器（103）设有连通两个接头的环形管路。

3.根据权利要求1所述的一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，其特征在于，还包括流动样品管（9），所述流动样品管（9）有两个，所述流动样品管（9）为“U”型的玻璃管，两个所述流动样品管（9）均连接在水管（3）上位于预极化器（103）和流量调节阀（5）之间的部分，所述三维测量线圈（106）缠绕在流动样品管（9）的中部，所述检测线圈（109）缠绕在另一个流动样品管（9）的中部；

所述水管（3）为橡胶软管。

4.根据权利要求3所述的一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，其特征在于，所述框架箱体（1）还包括位于工作台板（101）上方的线圈支架（105），所述线圈支架（105）包括底座（1051）、支座（1052），所述支座（1052）固定在底座（1051）上；

其中一个所述流动样品管（9）穿过线圈支架（105），所述的三维测量线圈（106）缠绕在流动样品管（9）上穿出线圈支架（105）的部分，所述线圈支架（105）上设有信号线联接插孔（107）；所述线圈支架（105）还设有垂直方向转动锁紧钉（1053）和水平方向转动锁紧钉（1054）。

5.根据权利要求1所述的一种利用流动的液体来精确测量磁场的仪器，其特征在于，所述框架箱体（1）的底面设有底脚。

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