[发明专利]一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法

说明书

本发明提供一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法，包括：主磁体线圈为多层线圈，其连接主磁体电路，用于产生主磁场；主磁场在其磁场空间的任意时间点上均存在不均匀分量；匀场线圈连接匀场电路，产生补偿磁场；补偿磁场对主磁场预设空间区域的不均匀分量进行补偿，使得主磁场在预设空间内相对均匀；预设空间与补偿磁场的作用空间相关；匀场线圈包括串联的两个线圈，之间有空隙，结构尺寸且绕向相同，采用通电圆环结构；控制模块实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对主磁场的动态均匀补偿。通过匀场线圈产生磁场能够在目标区域内进行精确的匀场补偿，使得磁场均匀度实现一个数量级以上的提升。

技术领域

本发明属于脉冲强磁场技术领域，更具体地，涉及一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法。

背景技术

随着凝聚态物理等领域的深入研究，科学家们对磁场强度提出了越来越高的要求。在目前的技术条件下，稳态强磁场还未突破45.5T，所以利用脉冲强磁场技术获得45.5T以上的磁场成为许多重大科学研究的发展趋势，目前的非破坏性脉冲强磁场技术已经能实现磁场强度超过100T、持续时间为ms量级的磁场。由于科学研究特殊需求，诸多实验不但要求脉冲磁场具有高场强，还需具有空间高均匀度等特性，例如高场核磁共振实验。

高场核磁共振实验是在强磁场背景下通过核磁共振(Nuclear MagneticResonance，NMR)技术得到分子结构信息，相比常规低场核磁共振实验，其高场优势为：(1)提高检测信噪比。NMR图谱的信噪比与背景场强度的3/2次方成正比，提高背景场强度能够显着提高NMR的检测灵敏度与分辨率；(2)利于探测特殊体系在强磁场下有别于常态的奇异物理性质。强磁场能够直接影响物质的电子态和量子化，显着改变物质的电子结构，从而出现在常态条件下不会出现的许多奇特现象，而NMR技术能够提供核子水平的微观信息，对于研究强磁场诱导特殊体系表现出的奇异场致效应具有巨大潜力，强磁场装置与NMR技术的结合有望为凝聚态物理领域相关研究的突破提供有效手段。

NMR对背景磁场的空间均匀性有很高的要求，大多商用固体NMR装置中要求磁场在相应实验区域内的均匀性好于10ppm(parts per million)，而目前的脉冲磁体装置由于空间结构问题，产生的磁场不均匀度在100mm³范围内通常高达数百ppm。背景磁场的空间不均匀性会造成NMR谱的谱线加宽与线形畸变，使其分辨率下降，进而造成信息丢失。

由于脉冲场与稳态场之间存在较大差异，运用于常规稳态场中成熟的匀场技术很难移植到脉冲场中。如专利文献“磁共振成像磁体系统的无源匀场”(CN101484822A)中采用的被动匀场技术，其通过匀场垫片(磁性材料)产生的磁场对主磁场进行匀场处理，成本低廉、系统简易、调节范围较大，因而在稳态匀场中广泛使用，然而，脉冲场的时变性会使匀场垫片产生涡流，恶化了装置的热稳定性和磁场均匀性，并且脉冲场还存在重复性较差与不可精确预测的特点，因此该技术难以应用于脉冲强磁场中。此外，如专利文献“磁共振系统的自适应有源自动匀场方法和系统”(CN104635187A)中所述的主动匀场技术，其通过设计特定形状结构的匀场线圈通以合适的电流产生稳定的磁场来抵消主磁场的高次谐波分量，因调节精度较高也广泛应用于稳态匀场中，但针对脉冲场而言，一方面脉冲磁体内径空间较小且存在于极低温、强磁场、高应力的极端环境中，传统的匀场线圈设计难以应用于该场合中，另一方面脉冲磁场处于时变状态且持续时间较短，传统的自动优化算法难以完成匀场线圈电流的调节。

近年来，脉冲强磁场NMR技术逐渐发展，但国内外仍鲜少有关于脉冲磁场空间均匀性优化的相关研究，在脉冲场NMR技术发展过程中，研究者们一般采用减小样品尺寸的方法来尽量改善不均匀磁场带来的问题，但样品尺寸的减小会造成检测信噪比的降低，存在较大的局限性，难以进一步提高检测分辨率。法国LNCMI实验室曾于2016年对脉冲磁体结构进行了改进，在较大空间范围内提升了磁场的均匀性以适应NMR实验需求，但其设计的异形结构磁体难以进行精确制造与加工，且无法在样品体积的小范围区域内实现场均匀性的数量级提升，因此也难以进一步进行研究设计及应用。

发明内容