一種用于工業核磁共振分析儀磁體系統的設計方法

摘要：磁體系統是核磁共振分析儀的關鍵核心設備之一，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，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核磁共振分析儀永磁體系統的設計方法。解決了永磁體系統設計中的高均勻度、大空間、高穩定度的難點，最終實現目標空間內10ppm的基礎均勻度，滿足了工業核磁共振分析儀的應用需求。

關鍵詞：核磁共振;分析儀;無源勻場;有源勻場;磁體系統

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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境不同，共振頻率的微小差異，產生了化學位移。由于1H原子是有機物中的關鍵元素之一，因此1H原子化學位移譜圖能夠反映大多數有機化合物的含量和結構特性，可廣泛應用于石油、化工、食品等行業成分和理化參數分析。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，取得石化產品物理、化學特性的快速預報數據，并指導生產過程自動控制，實現過程優化。通過對工業核磁共振分析技術的研究攻關以及工藝應用實踐，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評估，實現工藝參數快速預報，指導工業生產過程自動控制與工藝優化。

磁體系統是核磁共振分析儀的關鍵核心設備之一，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，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核磁共振分析儀磁體系統的設計方法。解決了磁體系統設計中的高均勻度、大空間、高穩定度的難點，最終實現目標空間內10ppm的基礎均勻度，滿足了工業核磁共振分析儀的應用需求。

2 設計過程

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

設計之初，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。根據模擬結果制造了吊具、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，如小鐵片、小磁片、小螺絲等，彌補磁場的偏差。本系統無源勻場采用小螺絲進行勻場，材質為鐵或者不銹鋼，并通過環氧板固定。環氧板放在磁體開口內上下磁極面上，小螺絲擰入環氧板的位置不同改變的磁場不同，因此可以通過一定數量的小螺絲使磁場變得均勻。無源勻場過程采用數值計算優化和人工經驗相結合的操作方式。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生的磁場來進行勻場。根據實際需要，選取磁體中心Ф10mm*10mm的圓柱區域為樣品區，在這一區域，標量磁位滿足拉普拉斯方程，即標量磁位為調和函數，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計。首先把磁場分解，磁場的球諧波展開是一個無窮級數。在目標區域內，球諧波基函數在數學上是正交的，即任何磁場分布都可以表示為一組球諧波級數的疊加。一般而言，隨著球諧級數的增加，其大小會衰減，即階數越高幅度越小，因此根據實際需要共設計15組線圈，對應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 測試結果

該設計方法成功應用于東方測控工業在線核磁共振分析儀，磁體系統的開發設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計上的可調式主磁鋼設計、有源勻場線圈優化設計最終達到了預期的均勻度指標，攻克了磁體系統設計上的技術難點。最終實現目標空間內10ppm的基礎均勻度，獲得了高分辨率的核磁共振信號。

6 結論

本文提出了一種用于工業核磁共振分析儀磁體系統的設計方法。解決了磁體系統設計中的高均勻度、大空間、高穩定度的難點，最終實現目標空間內10ppm的基礎均勻度，滿足了工業核磁共振分析儀的應用需求。

參考文獻：

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

[2]陳和生.阿爾法磁譜儀永磁體系統[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：工業在線分析儀器，包括工業核磁共振技術、工業聲學技術、超聲應用技術、雷達應用技術等。

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