低场脉冲核磁共振仪探头的研制

核磁共振是研究原子核磁性的一门学科,早在1924年Pauli就从原子核外电子的超精细结构预测到某些原子核应该具有自旋角动量和磁矩,并且在外磁场的作用下,磁矩和磁场相互作用,使原子核的能级发生分裂,因此在适当的射频场的作用下原子核能发生共振吸收现象[1]。射频场既可以连续地施加,也可以短脉冲的形式施加,现代核磁共振技术都采用脉冲方法。

按静磁场场强的不同核磁共振技术可分为高场、中场、低场三种。高场、中场核磁共振技术由于应用较早,理论和技术手段都已比较成熟,在化学、生物医学等多个方面都已得到广泛应用[2]。低场脉冲核磁共振技术一般应用于食品化工行业、地质方面的地下水、天然气、石油等物质的勘探和堤坝的管涌检测等,其应用环境通常比较恶劣,获取的信号信噪比极低,对电路与系统的设计要求更高。尤其对关系到整个系统的准确度、灵敏度等性能的关键部件探头的设计,提出了更精密的要求。

相对而言,低场脉冲核磁共振仪的探头与仪器的其他部分是隔开的,为了使仪器工作在不同的应用频率上,或为了使用不同尺寸与几何形状的样品,我们往往需要制作各种各样的探头,并进行不同线圈的实验。本文分析对比了各种形状探头线圈的优缺点,并针对螺线管型探头的设计给出了详细的分析介绍,该探头已成功应用于我们开发的低场脉冲核磁共振分析测量仪中。

1　低场脉冲核磁共振仪电路系统

低场脉冲核磁共振仪电路系统与中高场核磁共振系统并无实质性差别,其电路系统原理见图1。

系统工作原理如下:射频振荡器产生射频振荡,由发射器脉冲调制成射频脉冲信号,并经射频功率放大器放大变成强而短的射频功率脉冲加到探头线圈上。当发生核磁共振时,在线圈中就会感应出一个被调制的射频振荡并由接收器接收。为了避免发射器的功率泄漏到接收器中,当发射器工作时,接收器断开;当接收器工作时,发射器断开。这就是所谓的分时接收,通过探头开关实现发射与接收的切换。接收器接收到信号经前置放大器放大后通过低通滤波器进行滤波,并由相敏检波器进行检波,然后经模数转换器采集为数字信号后上载到计算机,通过在计算机里对该回波信号的解谱分析,得到被测样品的性质特征参数。

2　几种核磁共振探头线圈的比较

核磁共振仪器中使用的探头线圈根据形状的不同一般分为螺线管型、对称工字型、鸟笼型、马鞍型等,各种线圈的优缺点对比见表1[3]。

表1中Q值指品质因数,通过对比可看出,螺线管型结构简单而且能获得很好的磁场均匀性与高Q值,下面针对它的具体设计制作进行详细讨论。