[发明专利]一种负磁导率超材料及MRI磁信号增强器件

说明书

【技术领域】

本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种负磁导率超材料及MRI磁信号增强器件。

【背景技术】

目前，国际社会对磁导率方面已有大量的研究，其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟，对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点，负磁导率具有量子极化作用，可以对入射波产生极化作用，因此作用范围很大，如在医学成像领域中的磁共振成像技术，负磁导率材料能够加强电磁波的成像效果，另外负磁导率材料在透镜研究方面亦有重要作用，在工程领域，磁导率通常都是指相对磁导率，为物质的绝对磁导率μ与磁性常数μ₀(又称真空磁导率)的比值，μ_r＝μ/μ₀，无量纲值。通常“相对”二字及符号下标r都被省去。磁导率是表示物质受到磁化场H作用时，内部的真磁场相对于H的增加(μ＞1)或减少(μ＜1)的程度。至今发现的自然界已存在的材料中，μ都是大于0的。

核磁共振(MRI)成像系统的原理是利用线圈去检测原子核自旋吸收和发射的无线电波脉冲能量，该线圈作为接收线圈，在有些时候还同时作为发射线圈。在无线电波脉冲能量的帮助下，核磁共振成像扫描仪可以定位患者体内一个非常小的点，然后确定这是何种类型的组织。核磁共振成像机器采用特定于氢原子的无线电频率脉冲。系统引导脉冲对准所要检查的身体区域，并导致该区域的质子吸收使它们以不同方向旋转或旋进所需的能量。这是核磁共振成像装置的“共振”部分。无线电频率脉冲迫使它们(指每一百万质子中多余的一对或者两对不匹配的质子)在特定频率下按照特定方向旋转。引发共振的特定频率被称为拉摩尔频率，该值是根据要成像的特定组织以及主磁场的磁场强度计算得出的。无线电频率脉冲通常利用一个线圈来提供，该线圈称为发射线圈。

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。目前，现有的人造微结构的几何形状为“工”字形或者如图1所示的类似“凹”字形的开口环形，但这结构都不能实现磁导率μ明显小于0或使超材料谐振频率降低，也不能实现各向同性，只有通过设计具有特殊几何图形的人造微结构，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ值小于0，并具有较低的谐振频率。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术中负磁导率超材料谐振频率较高的情况，提供一种谐振频率较低的各向异性负磁导率超材料。另外，本发明为MRI成像设备提供一种磁信号增强器件中具有较大应用。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种负磁导率超材料，所述超材料包括基板以及固定在基板上的人造微结构层，所述人造微结构层由多个周期性阵列排布的人造微结构组成，所述人造微结构是由一根导电材料的折线等间距嵌套而成的三角螺绕环。

优选地，所述三角螺绕环的相邻两段导电材料折线夹角为60°。

优选地，所述基板的厚度为0.20mm-0.60mm。

优选地，所述基板的介电常数为4-8。

优选地，所述导电材料的折线线宽为0.05-0.15mm。

优选地，所述导电材料的折线线间距为0.05-0.15mm。

优选地，所述导电材料的折线厚度为0.015-0.020mm。

优选地，所述导电材料的折线截面为矩形或圆形。

优选地，所述导电材料的折线嵌套层数大于2。

一种MRI磁信号增强器件，设置在待测部位与MRI设备的磁信号接收线圈之间，所述MRI磁信号增强器件为超材料，所述超材料在MRI设备的磁信号工作频率下具有负磁导率。

优选地，所述超材料为以上所述的负磁导率超材料。

本发明的有益效果在于，由一根导电材料的折线等间距嵌套形成的三角螺绕环人造微结构，这种多重绕线的人造微结构相当于增加了超材料的电容和电感，通过增加电容和电感，降低超材料的谐振频率。本发明可以应用到磁信号增强器件中，磁信号增强器件利用负磁导率超材料的磁导率为负这一特性，达到信号增强的效果，降低负磁导率超材料的频率，是为了获得更接近MRI设备的工作频率，使MRI设备成像效果更好，降低MRI成像设备的成本。

【附图说明】

图1，现有的负磁导率超材料人造微结构示意图；

图2，本发明优选实施例超材料结构示意图；