仪

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󰀁󰀁表学

报

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󰀁第󰀁󰀂

卷第󰀁

期增刊

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年󰀁

月仪

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂 󰀁

核磁共振

超导磁

体的设计

白

质明’杨

海亮‘

,󰀁

东北

大学理学

院沈阳

,󰀁

东北

大学信息科学与工程

学院沈阳吴春俐󰀁

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󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

摘要

本文根

据六

阶线圈

原理对

核磁

共振超

导磁体进行了

设计给出了主

线圈

的结构参

数并利用

有限元

方法对所设计磁

体的

场强进

行了

模拟仿真计算得到的

计算结果

与场强

的设计要

求基

本一

致

关

扭词核磁共振超导磁

体有限元方法

󰀁󰀁

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泛󰀁󰀂

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Ma

gne

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Fin

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le

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me

t

ho

d

1引言

人

们发现核磁共振现

象并相继研制

成谱仪已有

60

年如今核磁共振N

MR

(nue

lear

ma

gne

t

ie

re

sonance)

已成为物质

分析

医疗影像技术的有效工

具磁

共振

谱仪

可深人物质内部而又不破坏

其结

构其进行定性及精密的定量分析精度

可达10一‘2

一

10

一

”在诸多学科领域中有着广泛的应用

在

谱仪组成中磁体系统是很关键的

部件磁场

强度的提高磁体技术的进步

一直与谱

仪发展紧密

相连特别是近年来

高温超导材料的性能不断提高

对

谱仪的发展及降低运行成本带来好处对经

济发展

将

带来不可估量的飞跃

目前核磁共振所用的磁体大部分是空

心圆柱线

圈因为它结构简

单相对其他形状制

作容易所

以本

文设计的超导磁体为空心圆柱线圈并根据六阶线圈

原理进行设计然后利

用有限元方法对所设计磁体

的

场强进行模拟仿真计算从而验证是否符合设计要求基本

原理

对具有轴对称结

构的空心圆柱线圈(

如图1

所

示)

在其内部(r

,,为磁体内半径)

满

足拉普拉斯

方程△甲

一。

求解拉

氏方程可得到对坐标展开的级数

表示的解[lj

二)

一之二

几a.

’

图l

磁

体结构示

意图

B:

(r

一B:

(。。

)「1

+MZ

(

二、。

)+

L\a

,/仪器

仪表学报第27

卷

M4

(会)‘

p4

(·,+

、

(会)“

p。

‘·,+…

)(‘,

09

此l

、侧口心翻其中u

=

。

osa在轴

线上时0

二

7r/2

一1

)一1)!!八Zn

)!!

此时磁场

可

以

表示为:

几一=

f0十几

尹十

f.几

尸+“

其中:

几一1

)一l

)!!

/

(Zn

)

!!a

于2

氏(o

脚

jal

pln

((a

+

石耳了)

/(l+

们阵万))

根据磁

场的盛加原理川其内部的磁场强度可以

视为主磁

体和补

偿线圈

分别产生磁

场的叠加而补偿

线圈可

以视

为以a3为内半径为外半径

为半长

的磁

体通

正向电流和以a3

为内半径为外半径

为

半长的磁

体通反方向电流而产生磁场的叠加这样

根

据上面的理论带有补

偿线圈的磁

体产生的磁场为:

B,==

f0+f

‘。

一

厂。

+(几+f

‘:

一广2

),

+(爪+f

一厂;

)

尹+(几+

f’。

一厂。

)尸+

…(3)

其中f

‘::

式:

是补

偿线圈系数式六阶线圈的原理

就是在上式中选择适当的

结构参数

使二次幂

四次幂

的系数为零图2

有限元

分析磁

场分布图

一

M刁20

眨1

麟

幽标

Z

~

图3

轴线上磁

场强

度变化曲线

4结论

3

计

算结果及有

限元模拟

根据设

计要

求磁场强度为1.

o

T[3

,

选择内径为

se

m

与a:

的间

隙为0.

5

。

m电流密度为2180

A

/。

m,

计算的结构参

数如表1

所

示

裹1

设

计超导

磁体的结构

参数

al

(e

m)aZ

(e

m)a3

(e

m)a

一

(e

m)b一

(e

m

)bZ

(e

m)

5.

08.

719.

2111.

816.

411.

94本文根据六阶线圈原理对核磁共振超导磁

体进行

了设计给出

了磁

体的结构

参数在此基础上用补

偿线

圈对不均匀的场强进行校

正获得了所需的均匀度

并应用有限元

方法对场强进行

了

模拟仿真计

算结果

满足设计

要

求

利用有限元

软件根据

上面的数据进行模拟计

算[4]

结果如图2

所示

有限元

仿真计算的结果是中

心磁场

强度为

1.

001305

8T

轴线上的磁场强度与

坐标的关系曲线如

图3

所示

在离中

心4c

m

处磁场的均匀度为2.

6xl

J‘离

中

心1

。

m处的均匀度为3.

5x10

一右参考文献

[1

〕

雷因照.

轴对

称线圈磁

场计算〔M

〕.

北

京:

中国

计t

出

版社

〔幻H.

布雷克纳.

超导磁

体系统〔M

].

北

京:

科学出.

版

社

张宏

杰励庆孚宗军

等.

1.

ST

Bi

一2223高温

超导磁

体的研

制〔J

].

西

安交通

大学学

报

0

0

【4

]陈文革

武松涛.

超导磁

体等效材料参数的有限元预测

〔J

].

应用力

学报

00

0