Датчик для измерения объемного распределения магнитного поля

Полезная модель относится к технической физике, а именно к измерительной технике на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Заявляемое техническое решение может быть использовано в устройствах и приборах ЯМР, а также в других устройствах, где требуется получить магнитное поле необходимой конфигурации с высокой точностью.
При первоначальной настройке магнитной системы обычно применяются специализированные датчики, позволяющие восстанавливать пространственную карту распределения магнитного поля путем непосредственных измерений напряженности магнитного поля. Как правило, такие датчики представляют собой ЯМР-измеритель напряженности магнитного поля и устройство, позволяющее позиционировать его в определенных точках пространства. Процедура измерения карты распределения магнитного поля заключается в последовательном измерении напряженности магнитного поля в определенных местах рабочей области магнитной системы одним сенсором. Однако она требует очень больших затрат времени на проведение измерений для целей ЯМР-томографии, где используются значительные объемы магнитного поля.
Известен датчик для измерения пространственной карты поля томографа, представляющий собой дугу с расположенными на ней семью точечными резонансными контурами (сенсорами) и механическим коммутатором. Для коррекции долговременного дрейфа основного магнитного поля применяется поочередное чтение частоты отстройки сигнала ЯМР с контура на окружности и с опорного контура. Измерение карты поля с помощью такого датчика-дуги занимает не менее 20 минут и сильно зависит от человеческого фактора [Биктимиров Э.Ф., Фахрутдинов А.Р., Анашкин В.Н. // Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского 2005. Ежегодник. Казань, Фихтехпресс. 2006. С. 164-166].
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является датчик для измерения объемной карты магнитного поля, описанный в [Комплекс для измерения объемной карты магнитного поля /Биктимиров Э.Ф., Фахрутдинов А.Р., Анашкин В.Н. // Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского 2005. Ежегодник. Казань, Физтехпресс. 2006. С. 164-166]. Конструктивно датчик в этом комплексе представляет собой устройство из семи эквидистантно расположенных пластин, соединенных между собой по углам с помощью латунных проставок. На пластинах жестко закреплены 103 ЯМР-сенсора таким образом, что 7 из них расположены вдоль оси Z магнитного поля (для быстрой оценки однородности на оси Z), остальные расположены на пластинах по окружности объема однородности - сферы радиусом 300 мм.
Описанное устройство изготовлено для магнитной системы, создающей поле 0.06 Тл (рабочая частота 2.5 МГц) в сфере диаметром 300 мм, и не может быть использовано для малогабаритного томографа для измерения магнитного поля напряженностью 0.4 Тл (рабочая частота 17.5 МГц), в том числе потому, что не может быть позиционировано в магните с зазором 200 мм, поскольку датчик имеет размеры, превышающие зазор магнита малогабаритного томографа. Кроме того, в описываемом в прототипе устройстве применяются каркасные катушки индуктивности, что затрудняет изготовление катушек индуктивности и датчика в целом. Наличие каркасов не позволяет достигнуть значительного коэффициента заполнения и увеличения соотношения сигнал/шум, что снижает точность измерений.
Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, - создание датчика для измерения объемного распределения магнитного поля, позиционируемого в магните с зазором от 200 мм и позволяющего измерять объемное распределение магнитного поля напряженностью 0.4 Тл (рабочая частота 17.5 МГц), в течение одной-двух минут.
Техническая задача не может быть решена простым уменьшением размеров прототипа, поскольку при этом возникает проблема радиочастотной развязки близкорасположенных контуров, настроенных на одну частоту.
Технический результат заключается в конструктивном устройстве заявляемого датчика для измерения объемного распределения магнитного поля, обеспечивающем возможность его позиционирования в магните с зазором от 200 мм, отсутствие взаимного воздействия близкорасположенных контуров и повышающем точность измерения объемного распределения магнитного поля.
Задача решается, и технический результат достигается новым датчиком для измерения объемного распределения магнитного поля, представляющим собой систему ЯМР-сенсоров, закрепленных на семи скрепленных между собой, параллельно расположенных, имеющих общий центр симметрии пластинах таким образом, что система ЯМР-сенсоров образует объем однородности магнитного поля, ограниченный сферой, в котором 7 ЯМР-сенсоров расположены вдоль оси Z магнитного поля, причем один из них находится в центре сферы, а остальные располагаются на поверхности сферы по окружности на каждой пластине, на пластинах также закреплены настроечные конденсаторы, в количестве, совпадающем с количеством расположенных на данной пластине ЯМР-сенсоров. Особенность заявляемого датчика состоит в том, что диаметр сферы составляет 150 мм, на пластинах, расположенных ближе к полюсам сферы, находятся по 9 ЯМР-сенсоров, на остальных пластинах - по 13, близко расположенные соседние сенсоры разделены электромагнитными экранами или расположены ортогонально по отношению к другим для отсутствия взаимного воздействия, ЯМР-сенсоры выполнены бескаркасными для увеличения коэффициента заполнения и соотношения сигнал/шум для повышения точности измерений.
На фиг. 1 представлено фотографическое изображение заявляемого устройства.
Датчик для измерения объемного распределения магнитного поля представляет собой 83 измерительных ЯМР-сенсоров 1, расположенных следующим образом: 76 ЯМР-сенсоров 1 расположены на сфере диаметром 150 мм, ограничивающей объем однородности магнитного поля напряженностью 0.4 Тл (рабочая частота 17.5 МГц), и еще 7 ЯМР-сенсоров 1 расположены вдоль оси магнитного поля (оси Z), в том числе один сенсор располагается в центре сферы. Этот сенсор устанавливается в изоцентре магнитной системы при позиционировании датчика перед измерениями.
Конструктивно такое расположение ЯМР-сенсоров 1 достигается тем, что все ЯМР-сенсоры 1 располагаются жестко закрепленными на семи соединенных между собой плоскопараллельных пластинах 2: на двух пластинах 2, расположенных ближе к полюсам сферы, на поверхности которой расположены ЯМР-сенсоры 1, - «внешних» пластинах (обозначены как 2А), - находятся по 9 ЯМР-сенсоров 1, на остальных пяти - «внутренних» пластинах 2 (обозначены как 2Б) - по 13 ЯМР-сенсоров 1, причем пластины 2 расположены таким образом, что зенитные углы между точками измерения (ЯМР-сенсорами), которые находятся на разных пластинах, одинаковы, что схематично изображено на Фиг. 2.
Пластины 2 выполнены цельными и одинакового размера из немагнитного материала, например, из фольгированного стеклотекстолита, и представляют собой прямоугольник с длиной сторон, лежащей в пределах 180-205 мм. Пластины 2 жестко соединены между собой с использованием деталей из немагнитного материала, например, с помощью латунных проставок (не обозначены).
На фигуре 3 схематично изображена «внутренняя» пластина 2Б с установленными на ней 13-ю ЯМР-сенсорами 1, а на фигуре 4 представлено ее фотографическое изображение.
Как иллюстрируют данные фигуры, 12 ЯМР-сенсоров 1 расположены на пластине 2, образуя окружность, принадлежащую сфере однородности магнитного поля. Оси симметрии 10-ти (обозначены как 1А) из 12-ти указанных ЯМР-сенсоров параллельны друг другу, а 2 (обозначены 1Б) расположены ортогонально по отношению к ним. 13-й ЯМР-сенсор 1(1В) располагается в центре окружности и является одним из 7 ЯМР-сенсоров 1, расположенных на оси магнитного поля (оси Z).
Каждый из ЯМР-сенсоров 1 представляет собой резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности, в которую помещается ампула с резонансным веществом, и конденсатора, собранного в виде емкостного делителя для согласования эквивалентного сопротивления контура и входного сопротивления подключенных к контуру цепей. В отличие от прототипа ЯМР-сенсоры 1 не имеют каркасов, что упрощает изготовление катушек индуктивности и датчика в целом и дает преимущество по сравнению с прототипом в плане увеличения коэффициента заполнения, а значит, и увеличения соотношения сигнал/шум.
Между соседними параллельно расположенными ЯМР-сенсорами 1А жестко закреплены электромагнитные экраны 3 (8 штук), выполненные из хорошо проводящего немагнитного металла, например, из медной фольги фольгированного стеклотекстолита.
Применением электромагнитных экранов 3 и ортогонального расположения ЯМР-сенсоров 1Б по отношению к ЯМР-сенсорам 1А там, где применение экранов затруднительно, решается проблема радиочастотной развязки близкорасположенных контуров.
На краях пластин 2 жестко закреплены настроечные конденсаторы 4, используемые для точной настройки контуров на резонансную частоту. Настроечные конденсаторы 4 выполнены из немагнитного материала, в количестве, совпадающем с количеством расположенных на данной пластине 2 ЯМР-сенсоров 1-13 на «внутренних» пластинах 2, 9 - на «внешних». Расположение настроечных конденсаторов 4 на краях пластин 2 позволяет осуществлять настройку ЯМР-сенсоров 1 непосредственно в зазоре магнита, что повышает удобство эксплуатации заявляемого устройства.
На фигуре 5 представлена схема «внешней» пластины 2А с установленными на ней 9-ю ЯМР-сенсорами 1. Оси симметрии 8-ми ЯМР-сенсоров (1А) параллельны друг другу, образуя окружность, принадлежащую сфере однородности магнитного поля. Между соседними ЯМР-сенсорами 1А расположены электромагнитные экраны 3 (6 штук). В центре окружности, образованной ЯМР-сенсорами 1А, ортогонально по отношению к ЯМР-сенсорам 1А, расположен один ЯМР-сенсор 1В, лежащий на оси Z магнитного поля.
Работа заявляемого устройства проиллюстрирована на конкретном примере реализации заявляемого датчика для измерения объемного распределения магнитного поля напряженностью 0.4 Тл (рабочая частота 17.5 МГц) малогабаритного томографа ТМР-0.4-КФТИ, созданного в КФТИ им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
Датчик представляет собой прямоугольный параллелепипед со сторонами длина-ширина-высота = 205-180-140 мм (высота указана без учета закрепленных на пластинах ЯМР-сенсоров) и помещается в зазор магнита ТМР-0.4-КФТИ 200 мм. Датчик состоит из семи жестко соединенных между собой параллельно друг другу и имеющих общий центр симметрии пластин. Пластины изготовлены цельными из фольгированного стеклотекстолита, одинакового размера (длина-ширина-высота (с учетом установленных элементов) = 205-180-16/20/24 мм) и соединены между собой с помощью латунных проставок по четырем углам пластин таким образом, что зенитные углы между точками измерения (ЯМР-сенсорами), которые находятся на разных пластинах, одинаковы, как это схематично изображено на Фиг. 2. Расстояние между пластинами составляет: 18 мм между внешней и следующей за внешней внутренней пластиной (между первой и второй, седьмой и шестой), 22 мм между следующей за внешней внутренней пластиной и следующей внутренней пластиной (между второй и третьей, шестой и пятой), 26 мм между последней указанной и средней пластиной (между третьей и четвертой, пятой и четвертой).
На «внешних» пластинах, расположенных ближе к полюсам сферы (объема однородности), на поверхности которой расположены ЯМР-сенсоры, находятся по 9 ЯМР-сенсоров, на остальных пяти - «внутренних» пластинах- по 13 ЯМР-сенсоров, сенсоры расположены на пластинах, как описано ранее и изображено на фигурах 3-5. Таким образом 76 из 83 ЯМР-сенсоров расположены на сфере диаметром 150 мм, ограничивающей объем однородности магнитного поля, и еще 7 ЯМР-сенсоров расположены на оси магнитного поля (оси Z).
ЯМР-сенсор представляет собой резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности, выполненной из медного провода, хорошо держащего форму (индуктивность порядка 1 мкГн), и конденсатора, собранного в виде емкостного делителя для согласования эквивалентного сопротивления контура и входного сопротивления подключенных к контуру цепей. В катушку индуктивности помещена герметичная ампула из диэлектрического материала, полностью заполненная резонансным веществом - раствором медного купороса.
Между параллельно расположенными ЯМР-сенсорами жестко закреплены прямоугольные электромагнитные экраны, выполненные из немагнитного материала - фольгированного стеклотекстолита. Количество и размер экранов должны обеспечивать отсутствие радиочастотной связи близкорасположенных контуров, в конкретном описываемом датчике длина экранов, расположенных на «внутренних» пластинах (8 штук), составляет 70 мм, на «внешних» (6 штук) - по 100 мм для двух расположенных по краям экранов, по 47 мм для оставшихся четырех. Высота экранов зависит от расстояния между пластинами (меньше на 1-2 мм).
На краях пластин жестко закреплены настроечные конденсаторы номинальной емкостью 10-120 пФ, в количестве, совпадающем с количеством расположенных на данной пластине ЯМР-сенсоров.
ЯМР-сенсоры предварительно, до сбора датчика для измерения объемного распределения магнитного поля, настраиваются на резонансную частоту на каждой пластине отдельно при помощи настроечных конденсаторов путем изменения емкости конденсатора вращением ротора конденсатора. В процессе сборки заявляемого устройства, а также во время его помещения в зазор магнита резонансная частота некоторых ЯМР-сенсоров может незначительно изменится. В этом случае выполняют подстройку резонансной частоты ЯМР-сенсоров с помощью настроечных конденсаторов. Расположение настроечных конденсаторов на краях пластин позволяет осуществлять настройку ЯМР-сенсоров непосредственно в зазоре магнита, повышая удобство эксплуатации заявляемого устройства.
Для автоматизации процесса измерения карты распределения магнитного поля используют автоматизированный комплекс, схематично изображенный на фигуре 6, аналогичный описанному в прототипе. Работа комплекса описана в [Фахрутдинов А.Р., Фаттахов Я.В., Шагалов В.А., Хабипов Р.Ш., Баязитов А.А. Аппаратно-программный комплекс для измерения объемной карты магнитного поля. Сборник материалов II-й Всероссийской научно-практической конференции «Научное приборостроение - современное состояние и перспективы развития». Казань, 4-7 июня 2018 г., С. 294-295]. Каждый из ЯМР-сенсоров датчика соединен с платой мультиплексоров, предназначенной для подключения в определенный момент времени нужного ЯМР-сенсора в датчике, и соединенной с платой управления, которая соединена с компьютером и позволяет управлять датчиком через компьютер. Плата мультиплексоров также соединена с радиоспектрометром, соединенным в свою очередь с компьютером. Персональный компьютер, управляющий томографом, выступает координирующим устройством для комплекса.
Для комплекса разработан программный модуль, осуществляющий снятие пространственной карты поля. Он формирует последовательность коммутируемых сенсоров, в соответствии с которой нужный в данный момент сенсор подключается к приемному тракту томографа, после чего с помощью аппаратных и программных средств томографа формируется и регистрируется сигнал ЯМР и вычисляется отстройка частоты для данного сенсора. Драйвер, управляющий комплексом, помимо коммуникационных функций, осуществляет также и привязку номеров датчиков к пространственным координатам, что необходимо для формирования карты поля.
При работе программного модуля оператору доступны следующие режимы: «1», «2», «3».
В режиме «1» в окне параметров программы управления радиоспектрометром томографа может быть выбран любой сенсор из 83. Также устанавливаются параметры импульсной последовательности такие как: амплитуда и длительность радиочастотного импульса, число точек оцифровки сигнала спада свободной индукции (ССИ) и интервал между ними, значение частоты среза фильтра низких частот, число повторов (накоплений), время повтора между сканами и др. После запуска программы кнопкой «Пуск» в окне сканирования компьютер, управляющий томографом, посылает соответствующую команду на микроконтроллер платы управления комплексом. При этом плата мультиплексоров по команде от платы управления подключает выбранный оператором сенсор датчика. Импульсная программа начинает работать в автономном режиме, а оператор может наблюдать сигнал ССИ в соответствующей точке пространства зазора магнита. Этот режим может быть использован либо для оперативного контроля величины магнитного поля в выбранной точке, либо для подстройки рабочей частоты томографа под величину магнитного поля в изоцентре магнита (сенсор «0») для того, чтобы показания в других точках пространства производились относительно этой точки. Программные средства томографа позволяют определить частоту отстройки сигнала ССИ и при необходимости записать это значение в соответствующий файл.
В режиме «2» программный модуль работает следующим образом. После запуска импульсной программы с предварительно установленными параметрами, компьютер, управляющий томографом, посылает на плату управления команду подключить сенсор «0», импульсная программа начинает свою работу, по сигналам ССИ определяется частота отстройки и значения записываются в соответствующий файл. При исполнении количества сканов, равных установленным оператором, происходит переключение платы мультиплексоров на следующий сенсор по команде от компьютера на плату управления. Импульсная программа продолжает свою работу. Номера сенсоров, находящихся на оси Z магнитного поля, заранее прописываются в тексте импульсной последовательности до компиляции программы. По завершении работы импульсной программы формируется файл, содержащий координаты датчиков и соответствующие им усредненные значения отстройки частоты от резонансного значения.
В режиме «3» программный модуль работает подобно режиму «1» с тем отличием, что через каждые десять сенсоров происходит переключение на сенсор «0» для того, чтобы измерить и скомпенсировать возможный дрейф поля за время измерений, которое составляет 2-3 минуты в зависимости от числа накоплений и выставленного времени повтора. Программный модуль каждый раз анализирует значения частоты для нулевого сенсора и производит коррекцию частот для десяти точек между этими значениями по линейному закону. По завершении работы импульсной программы также формируется соответствующий файл, в котором вычисляется максимальная величина неоднородности магнитного поля по формуле:
0
где ƒ - частота в изоцентре магнита.
Перед измерениями датчик помещают в зазор магнита томографа таким образом, чтобы ЯМР-сенсор, расположенный в центре объема однородности магнитного поля - в середине средней (четвертой) пластины (сенсор 0) - установился в изоцентре магнитной системы.
Аппаратно-программный комплекс запускают в режиме «1» для того, чтобы подстроить рабочую частоту томографа под величину магнитного поля в точке с координатами (0; 0; 0). Частота биений ССИ в этой точке оказывается почти равной нулю с учетом небольшого температурного дрейфа. Далее комплекс запускают в режиме «2». В этом режиме последовательно переключаются сенсоры, находящиеся на оси, результаты измерения частоты биений в этих точках записываются в соответствующий файл. Для коррекции неоднородности магнитного поля первого порядка (линейные градиенты) могут использоваться корректирующие токи, возбуждаемые в градиентных катушках томографа.
Таким образом, создан датчик для малогабаритного томографа, позволяющий позиционировать его в магните с зазором от 200 мм, и дающий возможность быстро - в течение одной-двух минут - и достаточно точно оценить однородность магнитного поля напряженностью 0.4 Тл (рабочая частота 17.5 МГц) и рассчитать амплитуды сферических составляющих поля, что необходимо на этапах установки магнита во время пуско-наладочных работ, при проверке градиентных полей и во время эксплуатации томографа для быстрой корректировки неоднородности поля. Отсутствие каркасов ЯМР-сенсоров обеспечивает увеличение коэффициента заполнения и соотношения сигнал/шум, что приводит к повышению точности измерений по сравнению с прототипом.