论文部分内容阅读
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技术具备从微观层面探索物质结构及其性能的独特优势,现已广泛应用于地质、医学、化学、生物等领域,但传统的NMR仪器不仅笨重、昂贵,而且磁体系统环抱着灵敏区域(Region Of Interest,ROI)导致该仪器空间开放性差,这些特点很大程度上阻碍了NMR技术的工程应用。针对廉价便携式NMR设备的巨大应用潜力,本研究设计出一种低场小型化单边NMR传感器,该传感器不仅体积小、造价低,而且ROI位于磁体外部,解除了对被测物体积大小的限制。本论文是从电磁场的理论出发,针对单边NMR传感器的设计提出了一套单边磁体和射频(RF)线圈的设计优化方法,具体内容包括以下几个方面:①单边磁体结构设计。本研究中磁体结构的设计属于静磁场的逆问题,在给定ROI磁场分布的条件下,采用二阶有限元方法计算永磁体的静态磁场分布,设计出一种由五个永磁体块构成的椭圆弧分布的磁体结构,并在此磁体结构的基础上采用无源匀场方法进一步提高ROI内水平目标面上的磁场均匀度;最优磁体结构由五块永磁体和两个铁磁极靴构成,尺寸为10mm×10mm的最优水平面位于距离磁体表面1.9mm高度处,该面内两条中线上的磁场均匀度高达338ppm;垂直方向上,距离磁体表面0.15mm至3.15mm的高度范围内磁场实测值由144.387m T减小为130.603m T,具备4.6T/m的恒定梯度。②射频线圈的设计。针对单边NMR系统信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)较差的缺点,提出以空间均匀性和信噪比为优化参数的平面矩形螺旋线圈的优化方法,实现了在给定均匀区域范围的前提下,使得射频线圈的SNR最优。③单边NMR传感器性能测试实验。在经过优化得到的单边NMR传感器上进行以下性能测试实验:1)射频线圈的SNR测试:通过实验中测量的NMR信号的幅值与噪声信号幅值之比表征射频线圈的SNR,通过比较不同线圈的测量信号,检验仿真结果的正确与否;2)静磁场的测量:本研究采用一种基于FFT的NMR回波信号分析方法对单边磁场的水平均匀度及纵向梯度给出了准确的测量;3)横向弛豫时间(2T)的测量:通过测量橡皮横向弛豫信号的质量检验单边NMR传感器的性能;4)纵向分辨率的测量;5)一维分层实验:测量浸油棉纸和盖玻片相间叠放的样品的频率一维分布谱,并从中计算实验样品厚度与真实厚度之间的差别;性能测试实验很好的证明了该单边NMR传感器的优良性能。本研究中将该传感器应用于评估硅橡胶绝缘子伞群材料的老化状态,该应用是在本课题组前期研究的基础上,进一步探索了硅橡胶复合绝缘子伞群在纵深方向上的老化规律,提出了纵深分层实验的测量方法以及数据处理方法,通过一维纵向运动步进电机精确控制ROI透入样品的测量深度,沿纵深方向上对绝缘子样品进行逐层测量,采用基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的带通滤波方法提取每层50μm厚度内样品的2long meanT?。实验结果表明,复合绝缘子运行年限越长,纵深方向上老化程度越严重,老化深度也会增加。本研究对于更好地理解复合绝缘子纵深方向的老化规律以及科学评估复合绝缘子的使用寿命和绝缘子材料的质量等具有重要意义。