一种用于工业核磁共振分析仪磁体系统的设计方法

摘要：磁体系统是核磁共振分析仪的关键核心设备之一，其作用是提供一个均匀的静磁场。其性能直接影响了谱图的分辨率、灵敏度等参数，因而在一定程度上决定着整机的性能。本文提出了一种用于工业核磁共振分析仪永磁体系统的设计方法。解决了永磁体系统设计中的高均匀度、大空間、高稳定度的难点，最终实现目标空间内10ppm的基础均匀度，满足了工业核磁共振分析仪的应用需求。

关键词：核磁共振;分析仪;无源匀场;有源匀场;磁体系统

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1引言

原子核在磁场中进动，受到电磁波的照射，发生共振，吸收能量，整个过程就是核磁共振。有机化合物中1H原子在分子中化学环境不同，共振频率的微小差异，产生了化学位移。由于1H原子是有机物中的关键元素之一，因此1H原子化学位移谱图能够反映大多数有机化合物的含量和结构特性，可广泛应用于石油、化工、食品等行业成分和理化参数分析。通过对在线样品的核磁共振化学位移谱进行化学计量建模、分析，取得石化产品物理、化学特性的快速预报数据，并指导生产过程自动控制，实现过程优化。通过对工业核磁共振分析技术的研究攻关以及工艺应用实践，研制出对样品物理特性、化学组成定性和定量分析的工业核磁共振分析仪，主要用于炼油厂原油分析和原油蒸馏工艺的参数评估，实现工艺参数快速预报，指导工业生产过程自动控制与工艺优化。

磁体系统是核磁共振分析仪的关键核心设备之一，其作用是提供一个均匀的静磁场。其性能直接影响了谱图的分辨率、灵敏度等参数，因而在一定程度上决定着整机的性能。本文提出了一种用于工业核磁共振分析仪磁体系统的设计方法。解决了磁体系统设计中的高均匀度、大空间、高稳定度的难点，最终实现目标空间内10ppm的基础均匀度，满足了工业核磁共振分析仪的应用需求。

2 设计过程

本磁体系统结构，降低了装配加工难度，磁体体积小，结构紧凑，磁体材料钕铁硼牌号高，使场强指标得到了保障。磁体设计工作气隙区域大，预留了足够的空间进行有源匀场和无源匀场的装置设计与放置。磁体包括三个部分，即磁钢、铁质磁轭极靴、磁场工作区。磁钢向磁体提供磁势和磁通;铁质磁轭和极靴引导、约束磁通，保证磁场工作区内磁场强度和分布状况满足预定的要求，减少漏磁，并在机械上起到支撑作用。

设计之初，对磁体各个部件的受力大小及方向进行了详细的计算和模拟，如图1所示。根据模拟结果制造了吊具、夹具、卡具，以及无磁材料的垫板、垫块等工装，以确保在体积、重量、力矩都比较大的情况下保证磁体系统的顺利装配，保证磁体的装配精度。

3 无源匀场

无源匀场是利用无源铁磁性物质，如小铁片、小磁片、小螺丝等，弥补磁场的偏差。本系统无源匀场采用小螺丝进行匀场，材质为铁或者不锈钢，并通过环氧板固定。环氧板放在磁体开口内上下磁极面上，小螺丝拧入环氧板的位置不同改变的磁场不同，因此可以通过一定数量的小螺丝使磁场变得均匀。无源匀场过程采用数值计算优化和人工经验相结合的操作方式。图2为无源匀场示意图。

4 有源匀场

有源匀场是通过一系列通电线圈产生的磁场来进行匀场。根据实际需要，选取磁体中心Ф10mm*10mm的圆柱区域为样品区，在这一区域，标量磁位满足拉普拉斯方程，即标量磁位为调和函数，因此磁场最大值及最小值均在圆柱表面上。

有源匀场所使用的线圈通过逆边界元法设计。首先把磁场分解，磁场的球谐波展开是一个无穷级数。在目标区域内，球谐波基函数在数学上是正交的，即任何磁场分布都可以表示为一组球谐波级数的叠加。一般而言，随着球谐级数的增加，其大小会衰减，即阶数越高幅度越小，因此根据实际需要共设计15组线圈，对应消除掉三阶以下的谐波分量，具体计算通过MATLAB软件完成。图3是典型的有源匀场线圈。

5 测试结果

该设计方法成功应用于东方测控工业在线核磁共振分析仪，磁体系统的开发设计达到了仪器的需求。图4是具体的实测指标情况。其中，磁体均匀度指标通过磁体设计上的可调式主磁钢设计、有源匀场线圈优化设计最终达到了预期的均匀度指标，攻克了磁体系统设计上的技术难点。最终实现目标空间内10ppm的基础均匀度，获得了高分辨率的核磁共振信号。

6 结论

本文提出了一种用于工业核磁共振分析仪磁体系统的设计方法。解决了磁体系统设计中的高均匀度、大空间、高稳定度的难点，最终实现目标空间内10ppm的基础均匀度，满足了工业核磁共振分析仪的应用需求。

参考文献：

[1]王骞，邹继斌等.永磁体磁共能的计算方法[J].电工技术学报，2010年第5期.

[2]陈和生.阿尔法磁谱仪永磁体系统[J].中国科学（0A辑），2000年第6期.

收稿日期：

作者简介：蔡明知（1982—），男，辽宁丹东人，硕士研究生学位，工程师，主要研究方向：工业在线分析仪器，包括工业核磁共振技术、工业声学技术、超声应用技术、雷达应用技术等。

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