专利名称：一种负磁导率超材料及mri磁信号增强器件的制作方法
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U与磁性常数U。(又称真空磁导率)的比值，Ur= U/Po，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(ii > I)或减少< D的程度。至今发现的自然界已存在的材料中，U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。现有核磁共振成像设备的接收线圈必须相当近地接近待测部位，以获取由待测部位释放出来的磁信号。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同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，现有的金属人造微结构的几何形状为“工”字形或者如图I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U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金属人造微结构，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率y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缺陷，提供一种谐振频率较低的各向同性负磁导率超材料，另外，本发明负磁导率超材料在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，包括至少一层具有负磁导率的超材料层，所述超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板两侧的多个第一人造微结构和第二人造微结构，所述第一人造微结构由四个呈环形阵列的第一人造微结构单元组成，所述第二人造微结构由四个呈环形阵列的第二人造微结构单元组成，所述第一人造微结构单元和第二人造微结构单元是开口在一角的开口谐振环结构，所述第二人造微结构单元的位置与第一人造微结构单元一一对应，所述第二人造微结构单元的形状为所述第一人造微结构单元的形状绕所述环形阵列的几何中心旋转180度得到的形状。优选地，所述第一人造微结构和第二人造微结构上覆有保护层。优选地，所述保护层厚度为0. 08-0. 12mm。优选地，所述保护层的介电常数为4-8。优选地，所述保护层的损耗正切值为0. 010-0. 015。
优选地，所述保护层为有机高分子材料或陶瓷材料。优选地，所述基板的厚度为0. 008-0. 015mm。优选地，所述基板的介电常数为14-20。优选地，所述基板的损耗正切值为0. 003-0. 007。一种MRI磁信号增强器件，设置在待测部位与MRI成像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成像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，本发明超材料由多层经过特殊设计的人造微结构叠加而成，基板采用介电常数较高、损耗较低的材质，能大大降低超材料的谐振频率，具有良好的发展前景。本发明可以应用到磁增强器件中，磁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成像设备的工作频率，使MRI成像设备成像效果更好，降低MRI成像设备的成本。
图I，现有负磁导率超材料人造微结构不意图；图2，本发明优选实施例超材料的结构示意图；图3，本发明优选实施例第一人造微结构示意图；图4，本发明优选实施例第一人造微结构单元结构示意图；图5，本发明优选实施例第二人造微结构示意图；图6，本发明优选实施例第二人造微结构单元结构示意图；图7，本发明又一优选实施例超材料的结构示意图；图8，本发明优选实施例磁导率仿真效果示意图；图中，I第一人造微结构，2第二人造微结构，3基板，4保护层，11第一人造微结构单元，22第二人造微结构单元。
具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种负磁导率超材料，如图2所示，包括至少一层具有负磁导率的超材料层，超材料层包括基板3以及周期性阵列排布在基板3两侧的多个第一人造微结构I和第二人造微结构2，如图3所示，第一人造微结构I由四个呈环形阵列的第一人造微结构单元11组成。如图5所示，第二人造微结构2由四个呈环形阵列的第二人造微结构单元22组成，如图4、图6所示，第一人造微结构单元11和第二人造微结构单元22是开口在一角的开口谐振环结构，第二人造微结构单元22的位置与第一人造微结构单元11一一对应，第二人造微结构单元22的形状为第一人造微结构单元11的形状绕所述环形阵列的几何中心旋转180度得到的形状。下面将结合附图，对本发明实施例的负磁导率超材料的构成原理及有益效果做详细说明。第一人造微结构I和第二人造微结构2在基板3的相对的两个侧面呈周期性排布，例如矩形阵列排布，即以一 X方向为行、以垂直于X方向的y方向为列地排列,且各行间 距、各列间距分别相等，甚至行间距等于列间距均可。优选行间距、列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的五分之一，即例如工作环境是波长为、的电磁波，需要超材料对此电磁波的电磁特性是呈现负磁导率，则设计人造微结构时将上述行间距、列间距选择不大于X/5,优选为X/10。显然，为了使人造微结构不互相交叠,每个人造微结构的长度和宽度也不大于X/5。周期性排布还可以有其他具有循环规律的排布方式，例如当基板3为圆形或多边形时，第一人造微结构I和第二人造微结构2沿着圆形或多边形基板3的外圆柱面等间距阵列一周，本发明优选实施例的基板3为矩形，参见图2。当超材料层有多个时，可以按照一定的规律将它们封装起来，如图7本发明又一优选实施例超材料的结构示意图所示，此实施例包括两层超材料层。本发明例如当基板3为平板状时，各超材料层沿垂直于基板3表面的方向依次排列，层与层之间相互平行设置，优选平行且间距相等，当基板3为上述圆形或多边形，则可以将多个超材料层共圆心轴地安装固定。本发明的基板3应选择轻薄、介电常数高、损耗低的基板，因此基板3的厚度为0.008-0. 015mm，损耗正切值为0.003-0. 007，介电常数为14-20。保护层4主要功能为保护第一人造微结构I和第二人造微结构2，保护层4可以使用有机高分子材料或陶瓷材料。保护层4的厚度为0. 08-0. 12mm,保护层4的介电常数为4_8，保护层4的损耗正切值为0. 010-0. 015。本发明优选实施例基板3选用厚度为0. 011mm、介电常数为16、损耗正切值为0. 005的陶瓷基板，保护层4选用PP材料，厚度为0. 1mm，介电常数为4. 8，损耗正切值为0. 013。本发明第一人造微结构I和第二人造微结构2，如图3、图5所示，第一人造微结构I和第二人造微结构2均由四个独立的人造微结构单元组合而成，任意人造微结构单元均为开口在一角的开口谐振环结构，第二人造微结构单元22的形状为第一人造微结构单元11的形状绕所述环形阵列的几何中心旋转180度得到的形状。第一人造微结构单元11和第二人造微结构单元22可选用铜线、银线、铜合金，甚至是金线，或者是非金属的导电材料，如导电塑料等，第一人造微结构单元11和第二人造微结构单元22嵌套层数大于2。第一人造微结构单元11和第二人造微结构单元22的线宽为0. 1-0. 3mm,第一人造微结构单元11和第二人造微结构单元22的厚度为0. 03-0. 05_，第一人造微结构单元11和第二人造微结构单元22的线间距为0. 05-0. 15_。本发明优选实施例的第一人造微结构单元11和
第二人造微结构单元22使用铜线，线宽dl为0. 10_，线宽d2为^ X o.lmm，dl、d2如
图4、图6所示,铜线的厚度为0. 033mm,铜线的线间距为0. IOmm,第一人造微结构11和第二人造微结构22的整体尺寸为3_X3mm。可以根据调整频点的需要，增加人造微结构单元的嵌套层数或缩放人造微结构的整体尺寸。本发明实现负磁导率的原理为，对于人造微结构而言，可以等效为LC震荡电路，铜线等效为电感L，线间电容、三角螺绕环之间的耦合电容等效电容C，通过仿真发现，在其他条件不改变的情况下，铜线越长，线间距越近，则等效电容值C越大。同理我们可以定性的判断电感L的变化，铜线线长越长，电感L越大。本发明中人 造微结构单元的铜线绕线圈数越多，其电感越大(存在互感)。由LC振荡电路公式/o =可知，当电感值增大时，其对应的谐振频率则降低。现有技术是直接将图I所示的“凹形”开口谐振环周期性阵列排布在基板上，制成超材料，超材料呈各项异性，本发明超材料的人造微结构是如图3、图4所示的人造微结构叠加组，不仅可以有效的降低超材料的谐振频率，还可以实现超材料的各向同性。用CST对本发明实施例的负磁导率超材料进行仿真，仿真结构参数为，dl =
0.lmm, d2=V2 X O.'lmm，dl、d2如图4、图6所示，铜线线间距0. 1mm，铜线厚度0. 033mm,
，
基板3的厚度为0. 011mm、介电常数为16、损耗正切值为0. 005的陶瓷基板，保护层4为PP材料，厚度为0. 1mm，介电常数为4. 8，损耗正切值为0. 013，第一人造微结构I和第二人造微结构2的尺寸3mmX3mm，仿真结果示意图参见图6，由图6可知，本发明超材料磁导率为-I的对应频率为I. 49GHz,降频效果显著，损耗较小，能实现超材料的各向同性，对于超材料工业的发展，具有重要意义。根据本发明的负磁导率超材料，可以制备一种MRI磁信号增强器件在MRI成像设备中，将MRI磁信号增强器件设置在待测部位与MRI成像设备的磁信号接收线圈之间，MRI磁信号增强器件即为本发明负磁导率超材料，本发明超材料在MRI成像设备的磁信号工作频率下具有负磁导率，负磁导率超材料的谐振频率能够在磁信号工作频段增强其信号强度，进而增强MRI成像设备的成像质量，降低MRI成像设备的成本。具有良好的发展前景。本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
权利要求
1.一种负磁导率超材料，包括至少一层具有负磁导率的超材料层，所述超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板两侧的多个第一人造微结构和第二人造微结构，其特征在于，所述第一人造微结构由四个呈环形阵列的第一人造微结构单元组成，所述第二人造微结构由四个呈环形阵列的第二人造微结构单元组成，所述第一人造微结构单元和第二人造微结构单元是开口在一角的开口谐振环结构，所述第二人造微结构单元的位置与第一人造微结构单元一一对应，所述第二人造微结构单元的形状为所述第一人造微结构单元的形状绕所述环形阵列的几何中心旋转180度得到的形状。
2.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构上覆有保护层。
3.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述保护层的厚度为0. 08-0. 12_。
4.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述保护层的介电常数为4—8 o
5.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述保护层的损耗正切值为0. 010-0. 015。
6.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述保护层为有机高分子材料或陶瓷材料。
7.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板的厚度为0. 008-0. 015mm。
8.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板的介电常数为14-20。
9.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板的损耗正切值为0.003-0. 007。
10.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构的线宽为0. 1-0. 3mm。
11.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构的线间距为0. 05-0. 15mm。
12.根据权利要求I所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构的线厚度为0. 03-0. 05mm。
13.—种MRI磁信号增强器件，设置在待测部位与MRI成像设备的磁信号接收线圈之间，其特征在于，所述MRI磁信号增强器件为超材料，所述超材料在MRI成像设备的磁信号工作频率下具有负磁导率。
14.根据权利要求13所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述超材料为权利要求I至12任一所述的负磁导率超材料。
全文摘要
本发明提供一种负磁导率超材料及MRI磁信号增强器件，负磁导率超材料包括至少一层具有负磁导率的超材料层，超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板两侧的多个第一人造微结构和第二人造微结构，第一人造微结构由四个呈环形阵列的第一人造微结构单元组成，第二人造微结构由四个呈环形阵列的第二人造微结构单元组成，第一人造微结构单元和第二人造微结构单元是开口在一角的开口谐振环结构，第二人造微结构单元的位置与第一人造微结构单元一一对应，第二人造微结构单元的形状为第一人造微结构单元的形状绕环形阵列的几何中心旋转180度得到的形状。本发明能有效降低超材料的谐振频率。另外，本发明MRI磁信号增强器件中具有较大应用。
文档编号H01Q15/00GK102683872SQ20121011005
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者余铨强, 刘若鹏, 栾琳, 郭洁 申请人:深圳光启创新技术有限公司