一種核磁共振波譜儀梯度線圈的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于核磁共振波譜儀領(lǐng)域，更具體地，涉及一種梯度線圈。
【背景技術(shù)】
[0002] 核磁共振波譜儀進(jìn)行梯度勻場、二維梯度實驗時需要在主磁場中產(chǎn)生一很強(qiáng)的縱 向梯度場，一般要求其強(qiáng)度在50GS/cm@10A以上。因此需要在核磁共振波譜儀探頭中加入 梯度線圈，其在外部脈沖梯度電流的驅(qū)動下產(chǎn)生一個梯度場，該梯度場強(qiáng)越強(qiáng)越好，然而當(dāng) 梯度線圈產(chǎn)生梯度場時，它附近的金屬導(dǎo)體上會感應(yīng)出渦流，梯度場越強(qiáng)越容易產(chǎn)生渦流， 渦流會產(chǎn)生與原梯度場相反的磁場，降低梯度線圈的效率，并且降低磁場的穩(wěn)定性，影響到 核磁共振波譜儀的正常工作。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中采用了流函數(shù)和目標(biāo)場方法來求解，然而核磁共振波譜儀探頭內(nèi)放置 梯度線圈的空間十分有限，梯度線圈必須滿足體積小、電感小、梯度場強(qiáng)大等要求，流函數(shù) 和目標(biāo)場方法在場強(qiáng)要求高而線圈體積又被嚴(yán)格限制時，這種設(shè)計方法難以得出合理的梯 度線圈方案，并且導(dǎo)致加工困難無法進(jìn)行實際生產(chǎn)。
[0004] 目前已經(jīng)存在采用自屏蔽線圈來解決渦流問題的主流方法，但是屏蔽線圈會在目 標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生反向磁場，會抵消掉主線圈幾乎一半的梯度場，因此為了得到足夠強(qiáng)的梯度場， 不得不增加線圈繞組數(shù)量，但是在增加繞組數(shù)量的情況下又增大了線圈的電感和電阻，影 響線圈的梯度場切換速度，并顯著增加線圈功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種核磁共振波譜儀的梯度 線圈，其目的在于提供一種算法簡單且能獲得較高強(qiáng)度的梯度磁場，并解決在采用自屏蔽 手段之后降低線圈功耗、減小線圈電感和電阻的技術(shù)問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種核磁共振波譜儀梯度線圈， 其特征在于，該梯度線圈由主線圈以及同軸設(shè)置于其外側(cè)的屏蔽線圈組成，其中所述屏蔽 線圈為沿所述梯度線圈軸向上下對稱設(shè)置的若干線圈繞組，其上部線圈繞組與下部線圈繞 組繞向相反；所述主線圈為沿所述梯度線圈軸向上下對稱設(shè)置的若干線圈繞組對，其對稱 的上部線圈繞組與下部線圈繞組繞向相反；所有所述繞組線圈串聯(lián)連接，由此與外部電流 源形成電流通路。
[0007] 進(jìn)一步地，所述屏蔽線圈與所述主線圈的間距優(yōu)選為在核磁共振波譜儀探頭允許 的空間范圍內(nèi)的最大值，由此提高所述梯度線圈的工作效率。
[0008] 進(jìn)一步地，所述屏蔽線圈與所述主線圈的間距優(yōu)選為4. 3~5. 3mm。
[0009] 進(jìn)一步地，所述主線圈的內(nèi)部空間內(nèi)還設(shè)置有隔熱部件。
[0010] 進(jìn)一步地，所述主線圈包含若干對用于產(chǎn)生基礎(chǔ)磁場的線圈繞組和若干對用于消 除基礎(chǔ)磁場9階以內(nèi)高階奇數(shù)項的線圈繞組。
[0011] 進(jìn)一步地，所述主線圈的所述上部線圈繞組和所述下部線圈繞組分別具有多個匝 數(shù)不同的子線圈繞組。
[0012] 進(jìn)一步地，所述隔熱部件（3)的熱膨脹系數(shù)小于1(T7°C，可承受±200°C的熱沖 擊。
[0013] 進(jìn)一步地，所述隔熱部件的體積磁化率為1(T6量級。
[0014] 進(jìn)一步地，所述隔熱部件優(yōu)選為石英玻璃管。
[0015] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0016] (1)產(chǎn)生一個強(qiáng)度為60Gs/cm@10A，在± 10mm的有效區(qū)域內(nèi)整體線性誤差小于 0. 5Gs@10A的縱向梯度場；
[0017] (2)通過適當(dāng)增大屏蔽線圈與主線圈間距的方式來減小屏蔽線圈在目標(biāo)區(qū)域的反 向磁場，提高整個梯度線圈的效率，同時減小線圈電感和電阻；
[0018] (3)通過在梯度線圈內(nèi)設(shè)置一層石英玻璃管，使得梯度線圈與其內(nèi)部空間的快速 溫度變化相隔離，有效解決變溫試驗中線圈因熱脹冷縮而發(fā)生形變，確保了梯度場在變溫 實驗中的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0019]圖1是按照本發(fā)明實現(xiàn)的核磁共振波譜儀的梯度線圈整體示意圖；
[0020] 圖2是按照本發(fā)明實現(xiàn)的核磁共振波譜儀的梯度線圈中的主線圈的繞線方式及 電流方向示意圖；
[0021]圖3是按照本發(fā)明實現(xiàn)的核磁共振波譜儀的梯度線圈主線圈在軸線上產(chǎn)生的梯 度場的計算結(jié)果示意圖；
[0022] 圖4是按照本發(fā)明實現(xiàn)的核磁共振波譜儀的梯度線圈主線圈線性度指標(biāo)的計算 結(jié)果示意圖；
[0023]圖5是按照本發(fā)明實現(xiàn)的核磁共振波譜儀的梯度線圈整體線性度指標(biāo)的計算結(jié) 果示意圖。
[0024] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：
[0025] 1-屏蔽線圈2-主線圈3-石英玻璃管21-第一上部線圈繞組22-第二上部線圈 繞組23-第一下部線圈繞組24-第二下部線圈繞組
【具體實施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0027] 本發(fā)明梯度線圈由屏蔽線圈1、主線圈2和石英玻璃管3組成，如圖1所示的核磁 共振波譜儀梯度線圈的整體結(jié)構(gòu)示意圖。屏蔽線圈1套于主線圈2的外層，兩者之間保持 4. 3~5. 3mm的間距，屏蔽線圈1在其中心產(chǎn)生的磁場與主線圈2產(chǎn)生的梯度場方向相反， 且弱于主線圈2產(chǎn)生的梯度場，屏蔽線圈1產(chǎn)生的磁場抵消主線圈2外側(cè)的發(fā)散磁場，但也 消弱了主線圈2中心的梯度場。
[0028] 如圖2所示的主線圈的結(jié)構(gòu)示意圖，其中屏蔽線圈1為沿梯度線圈軸向上下對 稱設(shè)置的若干線圈繞組，其上部線圈繞組與下部線圈繞組繞向相反；主線圈2為沿梯度線 圈軸向上下對稱設(shè)置的若干線圈繞組對，其對稱的上部線圈繞組21，22與下部線圈繞組 23, 24,屏蔽線圈（1)與所述主線圈（2)之間繞向相反。屏蔽線圈1與主線圈2上的所有線 圈繞組用串連的方式相互連接。外部輸入的驅(qū)動電流依次流過屏蔽線圈1和主線圈2,主線 圈2在其內(nèi)部會產(chǎn)生一個場強(qiáng)大于設(shè)計要求的梯度場，主線圈2外側(cè)的發(fā)散磁場會迅速衰 減。
[0029] 屏蔽線圈1位于主線圈2外側(cè)，并與主線圈保持4. 3~5. 3mm的間距，在這種設(shè)置 方式下，屏蔽線圈1與主線圈2共同產(chǎn)生的梯度場接近于理想的狀態(tài)：整個梯度線圈中心的 梯度場強(qiáng)度為60Gs/cm，梯度線圈外側(cè)的發(fā)散磁場接近于0，在此種情況下可避免梯度線圈 在其附近的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流。
[0030] 本發(fā)明中，還更優(yōu)選地采用石英玻璃管3同軸設(shè)置于主線圈2內(nèi)部，使梯度線圈與 其中心的空間區(qū)域相互隔離。在核磁共振波譜儀使用過程中，經(jīng)常進(jìn)行溫度變化的實驗，梯 度線圈中心區(qū)域的溫度會劇烈變化，并影響梯度線圈的形狀、電阻率等各種特性，使梯度線 圈產(chǎn)生的梯度場不穩(wěn)定。石英玻璃管3的放置，使梯度線圈與其中心區(qū)域相互隔離，梯度線 圈的溫度保持恒定，可以在寬范圍的溫度下實現(xiàn)梯度場穩(wěn)定。
[0031] 如圖2所示，是按照本發(fā)明實現(xiàn)的主線圈上線圈繞制示意圖，梯度線圈的主線圈2 由兩對Maxwell線圈組成，上部和下部線圈通以互為反向的電流，由一對21西Maxwell線 圈21、24和一對2匝Maxwell線圈22、23組成，其中21匝Maxwell線圈21與2匝Maxwell 線圈22成為一組設(shè)置在上部，另外一組23、24設(shè)置在下部，且上部和下部的線圈繞向相反。 其中，21西Maxwell線圈分布3層，每層7西，直徑分別為11. 7mm、12. 3mm和12. 7mm，距離線 圈中心的高度為14mm，這對Maxwell線圈產(chǎn)生一個強(qiáng)度約90Gs/cm@10A的基礎(chǔ)磁場，但含有 高階奇數(shù)項。一對2西Maxwell線圈分布1層，直徑11. 7mm，距離線圈中心高度為4. 5mm， 這對同軸線圈產(chǎn)生補(bǔ)償磁場，可消除基礎(chǔ)磁場9階以內(nèi)的高階奇數(shù)項。由上述同軸線圈的 組合形式，形成了線性度良好的梯度場。
[0032] 由上述Maxwell線圈組成的主線圈2在其中心軸線上產(chǎn)生的梯度場如圖3所示， 用計算結(jié)果與基準(zhǔn)線的差值來衡量線性度，并繪制成二維曲線圖，如圖4所示，在±6_的 中心區(qū)域內(nèi)，主線圈2產(chǎn)生的梯度場的線性誤差小于0. 02Gs@10A。加上屏蔽線圈1后，整個 梯度線圈的縱向梯度場在±l〇mm的有效區(qū)域內(nèi)線性誤差小于〇. 5Gs@10A，如圖5所示。
[0033] 而本發(fā)明的梯度線圈主線圈的設(shè)計原理和方法如下：
[0034] 先根據(jù)Biot-Savart定律，推導(dǎo)出環(huán)形電流在z軸上一點P(0, 0, Z)的磁場計算公 式：
【主權(quán)項】
1. 一種核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，該梯度線圈由主線圈（2)以及同軸設(shè) 置于其外側(cè)的屏蔽線圈（1)組成，其中所述屏蔽線圈（1)為沿所述梯度線圈軸向上下對稱 設(shè)置的若干線圈繞組，其上部線圈繞組與下部線圈繞組繞向相反；所述主線圈（2)為沿所 述梯度線圈軸向上下對稱設(shè)置的若干線圈繞組對，其對稱的上部線圈繞組（21，22)與下部 線圈繞組（23, 24)繞向相反；所有所述繞組線圈串聯(lián)連接，由此與外部電流源形成電流通 路。
2. 如權(quán)利要求1所述的核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，所述屏蔽線圈（1)與所 述主線圈（2)的間距優(yōu)選為在核磁共振波譜儀探頭允許的空間范圍內(nèi)的最大值，由此提高 所述梯度線圈的工作效率。
3. 如權(quán)利要求2所述的核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，所述屏蔽線圈（1)與所 述主線圈（2)的間距優(yōu)選為4. 3~5. 3mm。
4. 如權(quán)利要求1-3中任意一項所述的核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，所述主 線圈（2)的內(nèi)部空間內(nèi)還設(shè)置有隔熱部件（3)。
5. 如權(quán)利要求4所述的核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，所述主線圈（2)包含若 干對用于產(chǎn)生基礎(chǔ)磁場的線圈繞組和若干對用于消除基礎(chǔ)磁場9階以內(nèi)高階奇數(shù)項的線 圈繞組。
6. 如權(quán)利要求5所述的核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，所述主線圈（2)的所述 上部線圈繞組和所述下部線圈繞組分別具有多個匝數(shù)不同的子線圈繞組。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，所述隔熱部件（3) 的熱膨脹系數(shù)小于l〇_6/°C，可承受±200°C的熱沖擊。
8. 如權(quán)利要求7所述的核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，所述隔熱部件（3)的體 積磁化率為KT6量級。
9. 如權(quán)利要求8所述的核磁共振波譜儀梯度線圈，其特征在于，所述隔熱部件（3)優(yōu)選 為石英玻璃管。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種核磁共振波譜儀的梯度線圈，該梯度線圈由主線圈以及同軸設(shè)置于其外側(cè)的屏蔽線圈組成，其中主線圈為若干組在所述線圈軸向方向上對稱分布于上下兩部的線圈繞組，上部的兩組線圈與下部的兩組線圈繞向相反，屏蔽線圈為兩組上下兩部對稱分布且繞向相反的線圈繞組，所有繞組線圈串聯(lián)連接，屏蔽線圈與主線圈之間優(yōu)選保持4.3～5.3mm的間距，并且在主線圈的內(nèi)部空間內(nèi)還設(shè)置有隔熱部件。按照本發(fā)明實現(xiàn)的梯度線圈，明顯提高了線圈效率，并且用簡單的算法和工藝就可獲得強(qiáng)度大于50Gs/cm10A、線性誤差小于0.5Gs10A的梯度磁場，并且能夠確保梯度場在變溫實驗中的穩(wěn)定性。
【IPC分類】G01R33-385
【公開號】CN104849681
【申請?zhí)枴緾N201510315882
【發(fā)明人】陳康
【申請人】武漢中科波譜技術(shù)有限公司
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年6月10日