技术摘要：
本发明公开了一种核磁共振波谱仪多通道分离矩阵式匀场线圈及设计方法。该匀场线圈包括奇数阶线圈组、偶数阶线圈组和零阶线圈，所述奇数阶线圈组用于在磁场区域中心轴线上生成目标磁场为特定函数形状的奇数阶项，所述偶数阶线圈组用于在磁场区域中心轴线上生成目标磁场  全部
背景技术：
室温匀场线圈是高场核磁共振(NMR)波谱仪系统用于提高超导磁体磁场均匀性指 标的关键部件。一般情况下，NMR波谱仪超导磁体在超导匀场后的中心磁场均匀度达到1～ 0.1ppm(1ppm表示10-6)，但无法满足高分辨(0.01～0.001ppm)的精细谱学实验要求。为了提 高磁场均匀度，需要对磁体室温腔配套辅助设备—室温匀场线圈，通过调控室温匀场线圈 中的电流来产生特定强度、形状的校正磁场，从而补偿主磁场的非均匀分量。 常用的室温匀场线圈设计采用分离导线法，基本思路如下：根据毕奥-萨伐尔 (Biot-Savart)定律初始化一套单一电流串联的结构简单、形状规则的线圈绕组，然后构建 某一球谐分量的目标函数，通过优化算法寻找最终满足目标函数的线圈的结构信息，包括 匝数和位置等。随着现代核磁共振仪器对于更高检测灵敏度的追求，探头射频线圈被加长， 通过扩大有效的探头射频区域来获取更大的样品信号。与之匹配，匀场线圈的匀场区域也 必须扩大，这就需要更多的线圈匝数以及扩展更高阶非均匀补偿量。传统的分离导线法设 计的线圈结构有三个缺陷：1)线圈的绕组间相互挤压了很大的空间，不利于高阶线圈的设 计；2)对线圈的骨架结构加工精度要求很高，工程上的实现难度较大；3)单个匀场线圈通常 包括了多组简单的形状结构，因此需要考虑相互间磁场抵消作用，导致不必要的功耗。 Konzbul(IEEE  TRANSACTIONS  ON  MAGNETICS,VOL.36,NO.4,JULY  2000)提出了一 种矩阵形式的匀场线圈设计思路，不同于常规的室温匀场线圈设计只优化线圈几何结构单 一维度的方式，矩阵式室温匀场线圈设计通过固定多组矩阵线圈结构，变化各矩阵单元的 电流值从而能组合产生不同的匀场线圈的磁场形状。该方法增加了优化变量的维度，简化 了室温匀场线圈的骨架结构设计，降低了工艺上的绕线难度。在此基础上，2008年，Speck提 出在每个矩阵单元附近串联增加一个电流方向相反的补偿线圈，从而抵消每单一矩阵单元 所产生的零阶磁场漂移影响。 但是，这类矩阵式室温匀场线圈设计存在一些问题：1)由于所产生多磁场形状的 矩阵单元共用单一线槽，线的匝数较多，阻抗和电感变大，电流快速切换对单一电流源的负 载能力以及漆包线的电流承受能力提出一定要求；2)目标磁场为特定函数形状的奇数阶项 (如Z1、Z3、Z5、Z7)和偶数阶项(如Z2、Z4、Z6、Z8)，由相对磁场中心上下对称、结构相同的线 圈对通以反向和同向电流产生，偶数阶项会产生零阶漂移，但奇数阶项并不产生零阶漂移， 这就导致一部分补偿线圈的浪费；3)多电流多电路组合由于优化变量的增多，更容易受到 线槽机加工或绕线误差的影响，导致目标磁场不纯。
技术实现要素：
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种核磁共振波谱仪多 5 CN 111596244 A 说　明　书 2/10 页 通道分离矩阵式匀场线圈及设计方法，将目标磁场为奇数阶项和偶数阶项进行分离设计， 独立的奇数阶项线圈组无需进行零阶漂移校准，偶数阶项通过一个独立的零阶线圈进行零 阶磁场漂移自校准，省去补偿线圈结构。 为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种核磁共振波谱仪多通道分 离矩阵式匀场线圈，包括奇数阶线圈组、偶数阶线圈组和零阶线圈，所述奇数阶线圈组用于 在磁场区域中心轴线上生成目标磁场为特定函数形状的奇数阶项，所述偶数阶线圈组用于 在磁场区域中心轴线上生成目标磁场为特定函数形状的偶数阶项，所述零阶线圈用于核磁 共振信号的锁场，所述零阶线圈还用于目标磁场为特定函数形状的偶数阶项的矩阵组合产 生零阶漂移的自校准。 优选地，所述奇数阶线圈组、偶数阶线圈组和零阶线圈同轴布置，所述奇数阶线圈 组和偶数阶线圈布置在里层，所述奇数阶线圈组和偶数阶线圈组不重叠，所述零阶线圈缠 绕在所述奇数阶线圈组和偶数阶线圈组的外层。 优选地，所述奇数阶线圈组为相对磁场区域中心轴线上下对称设置的奇数阶线圈 组上部绕组和奇数阶线圈组上部绕组，奇数阶线圈组上部绕组和奇数阶线圈组上部绕组的 绕线方向相反； 所述偶数阶线圈组为相对磁场区域中心轴线上下对称设置的偶数阶线圈组上部 绕组和偶数阶线圈组上部绕组，偶数阶线圈组上部绕组和偶数阶线圈组上部绕组的绕线方 向相同。 优选地，所述奇数阶线圈组为相对磁场区域中心轴线上下对称设置的2×N组绕 组，所述偶数阶线圈组为相对磁场区域中心轴线上下对称设置的2×M组绕组，所述奇数阶 线圈组下部绕组记为Gdn，所述奇数阶线圈组上部绕组记为G'dn，1≤n≤N，所述偶数阶线圈 组下部绕组记为Gem，所述偶数阶线圈组上部绕组记为G'em，1≤m≤M； 绕组Gdn的线槽上沿相对于磁场区域中心轴线的距离为hd ,n，绕组G'dn的线槽下沿 相对于磁场区域中心轴线的距离为h'd ,n，满足hd ,n＝-h'd ,n，绕组Gdn和G'dn线槽的内径都为 a，绕线层数都为λ，绕组Gdn线槽内排列的总线圈匝数为Φd ,n，绕组G'dn线槽内排列的线圈匝 数为Φ'd,n，满足Φd,n＝Φ'd,n； 绕组Gem的线槽上沿相对于磁场区域中心轴线的距离为he ,m，绕组G'em的线槽下沿 相对于磁场区域中心轴线的距离为h'e ,m，满足he ,m＝-h'e ,m，绕组Gem和G'em线槽的内径都为 a，绕线层数都为λ，绕组Gem线槽内排列的总线圈匝数为Φe,m，绕组G'em线槽内排列的线圈匝 数为Φ'e,m，满足Φe,m＝Φ'e,m。 优选地，所述奇数阶线圈组中每级绕组Gdn和G'dn串联，并且被给予对应的电流矩 阵配比系数，所述偶数阶线圈组中每级绕组Gem和G'em串联，并且被给予对应的电流矩阵配 比系数。 优选地，所述奇数阶线圈组为2×4组线圈，所述偶数阶线圈组为2×5组线圈。 按照本发明的第二方面，提供了一种如上述任意一项的核磁共振波谱仪多通道分 离矩阵匀场线圈的设计方法，所述奇数阶线圈组Gdn和G'dn的设计方法包括步骤： (11)计算奇数阶线圈组Gdn和G'dn在柱坐标系空间中某一点 产生的轴向磁 感应强度为： 6 CN 111596244 A 说　明　书 3/10 页 其中，kd ,nI0为奇数阶线圈组Gdn和G'dn的串联电流，即奇数阶线圈组各组的通电电 流， 为奇数阶线圈组的下部分绕组Gdn线圈在柱坐标系空间中P点产生的磁感 应强度， 为奇数阶线圈组的上部分绕组G'dn线圈在柱坐标系空间中P点产生的 磁感应强度； (12)在探头射频中心区域围内网格化选取目标场点 其中j＝1,2,..., Num，Num表示DSV内有效点的个数，将已知磁场强度和球谐函数形式的匀场线圈产生的空间 磁场分布设定为第k阶目标场BTarget,k，k为奇数，建立优化计算模型Uk，使得累加产生的实际 磁场分布Bz能够与目标场BTarget,k的线性误差最小： 其中，Minimize代表一种优化算法，计算函数的全域最小值，max函数用于求向量 的最大元素； (13)预设单位电流I0大小，代入步骤(12)的优化计算模型Uk，获得满足设计要求的 所述奇数阶线圈参数hd,n和第k阶球谐函数对应的电流矩阵配比系数kd,n_Zk； 所述偶数阶线圈组Gem和G'em的设计方法包括步骤： (21)计算偶数阶线圈组Gem和G'em在柱坐标系空间中某一点 产生的轴向磁 感应强度为： 其中，ke ,mI0为偶数阶线圈组Gem和G'em的串联电流，即偶数阶线圈组各组的通电电 流， 为偶数阶线圈组的下部分绕组G'em线圈在柱坐标系空间中P点产生的磁感 应强度， 为偶数阶线圈组的上部分绕组G'em线圈在柱坐标系空间中P点产生的 磁感应强度，Bz0为零阶线圈在P点产生的磁感应强度； (22)在探头射频中心区域围内网格化选取目标场点 其中j＝1,2,..., Num，Num表示DSV内有效点的个数，预设探头射频中心区域的范围，将已知磁场强度和球谐 函数形式的匀场线圈产生的空间磁场分布设定为第k阶目标场BTarget,k，k为偶数，建立优化 计算模型Uk，使得累加产生的实际磁场分布Bz能够与目标场BTarget,k的线性误差最小： 其中，Minimize代表一种优化算法，计算函数的全域最小值，max函数用于求向量 的最大元素； 7 CN 111596244 A 说　明　书 4/10 页 (23)预设单位电流I0大小，代入步骤(22)的优化计算模型Uk，获得满足设计要求的 所述偶数阶线圈参数he,m和第k阶球谐函数对应的电流矩阵配比系数ke,m_Zk。 总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果： (1)具体将目标磁场为奇数阶项和偶数阶项进行分离设计，采用不同的两组矩阵 式线圈进行组合。独立的奇数阶项线圈组无需进行Z0漂移校准，偶数阶项通过一个独立的 Z0线圈进行Z0磁场漂移自校准，省去补偿线圈结构，降低了优化的难度。同时，分离后的线 槽内线圈匝数减少，降低了通道阻抗和电感。 (2)根据测量绕线后室温匀场线圈实际产生的磁场形状可以反馈优化矩阵线圈结 构的电流大小，纠正绕线误差和骨架加工误差导致的室温匀场线圈的纯度降低的问题。 附图说明 图1为本发明实施例的一种核磁共振波谱仪多通道分离矩阵式匀场线圈的简易结 构示意图，其中(a)为奇数阶线圈组分布；(b)为偶数阶线圈组分布；(c)为Z0线圈分布；(d) 为本发明实施例中的一种多通道分离矩阵式室温匀场线圈总结构示意图。 图2(a)(b)(c)(d)分别为本发明实施例的其中一种奇数阶线圈组在中心轴线上产 生的Z1、Z3、Z5、Z7阶磁场分布示意图，(e)(f)(g)(h)分别为对应的线性误差结果示意图； 图3(a)(b)(c)(d)分别为本发明实施例的其中一种偶数阶线圈组在中心轴线上产 生的Z2、Z4、Z6、Z8阶磁场分布示意图，(e)(f)(g)(h)分别为对应的线性误差结果示意图； 图4为本发明实施例的其中一种零阶线圈在中心轴线上产生的零阶磁场分布示意 图； 图5(a)(b)(c)(d)为Z3项电流矩阵配比系数修正前和修正后的磁场分布以及线性 误差的改善效果示意图。