摘要：磁體系統(tǒng)是核磁共振分析儀的關(guān)鍵核心設(shè)備之一，其作用是提供一個均勻的靜磁場。其性能直接影響了譜圖的分辨率、靈敏度等參數(shù)，因而在一定程度上決定著整機的性能。本文提出了一種用于工業(yè)核磁共振分析儀永磁體系統(tǒng)的設(shè)計方法。解決了永磁體系統(tǒng)設(shè)計中的高均勻度、大空間、高穩(wěn)定度的難點，最終實現(xiàn)目標空間內(nèi)10ppm的基礎(chǔ)均勻度，滿足了工業(yè)核磁共振分析儀的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：核磁共振;分析儀;無源勻場;有源勻場;磁體系統(tǒng)

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1引言

原子核在磁場中進動，受到電磁波的照射，發(fā)生共振，吸收能量，整個過程就是核磁共振。有機化合物中1H原子在分子中化學環(huán)境不同，共振頻率的微小差異，產(chǎn)生了化學位移。由于1H原子是有機物中的關(guān)鍵元素之一，因此1H原子化學位移譜圖能夠反映大多數(shù)有機化合物的含量和結(jié)構(gòu)特性，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品等行業(yè)成分和理化參數(shù)分析。通過對在線樣品的核磁共振化學位移譜進行化學計量建模、分析，取得石化產(chǎn)品物理、化學特性的快速預(yù)報數(shù)據(jù)，并指導(dǎo)生產(chǎn)過程自動控制，實現(xiàn)過程優(yōu)化。通過對工業(yè)核磁共振分析技術(shù)的研究攻關(guān)以及工藝應(yīng)用實踐，研制出對樣品物理特性、化學組成定性和定量分析的工業(yè)核磁共振分析儀，主要用于煉油廠原油分析和原油蒸餾工藝的參數(shù)評估，實現(xiàn)工藝參數(shù)快速預(yù)報，指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制與工藝優(yōu)化。

磁體系統(tǒng)是核磁共振分析儀的關(guān)鍵核心設(shè)備之一，其作用是提供一個均勻的靜磁場。其性能直接影響了譜圖的分辨率、靈敏度等參數(shù)，因而在一定程度上決定著整機的性能。本文提出了一種用于工業(yè)核磁共振分析儀磁體系統(tǒng)的設(shè)計方法。解決了磁體系統(tǒng)設(shè)計中的高均勻度、大空間、高穩(wěn)定度的難點，最終實現(xiàn)目標空間內(nèi)10ppm的基礎(chǔ)均勻度，滿足了工業(yè)核磁共振分析儀的應(yīng)用需求。

2 設(shè)計過程

本磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了裝配加工難度，磁體體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，磁體材料釹鐵硼牌號高，使場強指標得到了保障。磁體設(shè)計工作氣隙區(qū)域大，預(yù)留了足夠的空間進行有源勻場和無源勻場的裝置設(shè)計與放置。磁體包括三個部分，即磁鋼、鐵質(zhì)磁軛極靴、磁場工作區(qū)。磁鋼向磁體提供磁勢和磁通;鐵質(zhì)磁軛和極靴引導(dǎo)、約束磁通，保證磁場工作區(qū)內(nèi)磁場強度和分布狀況滿足預(yù)定的要求，減少漏磁，并在機械上起到支撐作用。

設(shè)計之初，對磁體各個部件的受力大小及方向進行了詳細的計算和模擬，如圖1所示。根據(jù)模擬結(jié)果制造了吊具、夾具、卡具，以及無磁材料的墊板、墊塊等工裝，以確保在體積、重量、力矩都比較大的情況下保證磁體系統(tǒng)的順利裝配，保證磁體的裝配精度。

3 無源勻場

無源勻場是利用無源鐵磁性物質(zhì)，如小鐵片、小磁片、小螺絲等，彌補磁場的偏差。本系統(tǒng)無源勻場采用小螺絲進行勻場，材質(zhì)為鐵或者不銹鋼，并通過環(huán)氧板固定。環(huán)氧板放在磁體開口內(nèi)上下磁極面上，小螺絲擰入環(huán)氧板的位置不同改變的磁場不同，因此可以通過一定數(shù)量的小螺絲使磁場變得均勻。無源勻場過程采用數(shù)值計算優(yōu)化和人工經(jīng)驗相結(jié)合的操作方式。圖2為無源勻場示意圖。

4 有源勻場

有源勻場是通過一系列通電線圈產(chǎn)生的磁場來進行勻場。根據(jù)實際需要，選取磁體中心Ф10mm*10mm的圓柱區(qū)域為樣品區(qū)，在這一區(qū)域，標量磁位滿足拉普拉斯方程，即標量磁位為調(diào)和函數(shù)，因此磁場最大值及最小值均在圓柱表面上。

有源勻場所使用的線圈通過逆邊界元法設(shè)計。首先把磁場分解，磁場的球諧波展開是一個無窮級數(shù)。在目標區(qū)域內(nèi)，球諧波基函數(shù)在數(shù)學上是正交的，即任何磁場分布都可以表示為一組球諧波級數(shù)的疊加。一般而言，隨著球諧級數(shù)的增加，其大小會衰減，即階數(shù)越高幅度越小，因此根據(jù)實際需要共設(shè)計15組線圈，對應(yīng)消除掉三階以下的諧波分量，具體計算通過MATLAB軟件完成。圖3是典型的有源勻場線圈。

5 測試結(jié)果

該設(shè)計方法成功應(yīng)用于東方測控工業(yè)在線核磁共振分析儀，磁體系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計達到了儀器的需求。圖4是具體的實測指標情況。其中，磁體均勻度指標通過磁體設(shè)計上的可調(diào)式主磁鋼設(shè)計、有源勻場線圈優(yōu)化設(shè)計最終達到了預(yù)期的均勻度指標，攻克了磁體系統(tǒng)設(shè)計上的技術(shù)難點。最終實現(xiàn)目標空間內(nèi)10ppm的基礎(chǔ)均勻度，獲得了高分辨率的核磁共振信號。

6 結(jié)論

本文提出了一種用于工業(yè)核磁共振分析儀磁體系統(tǒng)的設(shè)計方法。解決了磁體系統(tǒng)設(shè)計中的高均勻度、大空間、高穩(wěn)定度的難點，最終實現(xiàn)目標空間內(nèi)10ppm的基礎(chǔ)均勻度，滿足了工業(yè)核磁共振分析儀的應(yīng)用需求。

參考文獻：

[1]王騫，鄒繼斌等.永磁體磁共能的計算方法[J].電工技術(shù)學報，2010年第5期.

[2]陳和生.阿爾法磁譜儀永磁體系統(tǒng)[J].中國科學（0A輯），2000年第6期.

收稿日期：

作者簡介：蔡明知（1982—），男，遼寧丹東人，碩士研究生學位，工程師，主要研究方向：工業(yè)在線分析儀器，包括工業(yè)核磁共振技術(shù)、工業(yè)聲學技術(shù)、超聲應(yīng)用技術(shù)、雷達應(yīng)用技術(shù)等。

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