用于磁共振显微镜的钇钡铜氧块材磁体的研究

摘要

磁共振显微镜(MRM: magnetic resonance microscope)是一种小型的磁共振成像(MRI:magnetic resonance imaging)系统，主要用于生理学、病理学等学科对活体进行成像的研究。高场MRM系统中的磁体全部是低温超导磁体，磁体成本高，MRM系统过于昂贵，导致很多科研工作无法使用MRM技术。高温超导体的出现为这一问题提供了解决方案，本文致力于研究基于钇钡铜氧(YBCO)高温超导块材的MRM磁体。
　　首先，研究了YBCO块材的磁通捕获特性，采用脉冲充磁方式建立了块材磁体的脉冲励磁系统。利用该系统加在常规铜绕组磁体上产生脉冲磁场，在零场冷方式下对一些样品的磁通捕获特性进行了研究。实验表明77K下YBCO块材磁体可以达到0.2T的目标场，并且由测得的磁场强度衰减情况可以观察到磁场基本是稳定的。
　　其次，设计并实现了液氮温区的YBCO块材磁体。对实现的YBCO磁体进行了励磁研究，比较了超导块材零场冷和场冷两种励磁方法，通过实验发现场冷方式的剩磁明显高于零场冷方式，目前液氮温区磁体的最高磁场强度达到了0.38T。对不同样品构成磁体的磁场强度随时间的衰减进行了研究，一小时后的磁场强度变化率约为280ppm/s，表明磁场基本稳定。
　　最后，为获得比液氮温区的YBCO块材磁体更高的磁场强度，设计与初步实现了制冷机直冷的YBCO块材磁体。杜瓦外筒设计为两个连接在一起的圆筒型杜瓦结构，二级冷屏设计成可以安装上下两块超导块，且中间留有容纳室温间隙的方形空间。将装有超导块的二级冷屏、杜瓦外筒和制冷机组装在一起，对超导块材磁体进行了降温实验，测得磁体温度最低为74.5K。
　　通过以上研究得出应用YBCO高温超导块材设计MRM磁体是可行的，并且实现了液氮温区的YBCO块材磁体。但该磁体的磁场强度较低，因此设计了制冷机直冷的MRM磁体，并初步实现了低于液氮温度的YBCO块材磁体。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 核磁共振成像与磁共振显微镜

1．1．1 核磁共振成像的发展概述

1．1．2 磁共振显微镜的发展概述

1．2 超导材料的发展

1．2．1 超导材料的发现

1．2．2 超导材料的特性

1．2．3 超导磁体的发展及应用

1．3 本论文的工作

1．4 本论文工作的意义

第2章 磁共振原理及核磁共振成像系统

2．1 磁共振的基本原理

2．1．1 原子核的自旋

2．1．2 原子核的磁矩

2．1．3 拉莫尔频率

2．1．4 磁共振现象

2．2 核磁共振成像原理及方法

2．2．1 核磁共振成像的原理

2．2．2 核磁共振成像的空间定位

2．3 核磁共振成像系统的结构及功能

2．3．1 计算控制分析系统

2．3．2 核磁共振成像谱仪的收发系统

2．3．3 核磁共振成像谱仪的磁体系统

2．4 超导型磁体

2．5 本章小结

第3章 液氮温区的YBCO块材磁体的研制

3．1 YBCO块材磁体脉冲励磁系统的研制

3．1．1 脉冲充磁原理

3．1．2 预磁化高温超导块材磁体原理

3．1．3 脉冲励磁系统的建立

3．2 单块超导样品磁通捕获特性的研究

3．3 液氮温区的YBCO块材磁体的研制

3．3．1 液氮温区的YBCO块材磁体的设计与实现

3．3．2 液氮温区的YBCO块材磁体的实验结果与讨论

3．4 本章小结

第4章 制冷机直冷的YBCO块材磁体的研制

4．1 第一例高温超导块材MRM磁体

4．2 制冷机直冷的YBCO块材磁体的设计

4．2．1 制冷机直冷磁体结构的设计

4．2．2 基于ANSYS的杜瓦结构应变分析

4．3 制冷机直冷的YBCO块材磁体的初步实现

4．3．1 G-M制冷机

4．3．2 制冷机直冷的YBCO块材磁体的降温过程

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢