一种用于低温固相电化学-核磁共振的低电场鞍型射频线圈的制作方法

本发明涉及电化学核磁共振(electrochemicalnuclearmagneticresonance，ec-nmr)联用实验技术，尤其是涉及一种用于低温固相电化学-核磁共振的低电场鞍型射频线圈。

背景技术：

常规核磁共振波谱仪探头由线圈、调谐匹配电路及各功能支架组成，实验中探头和样品均处于常温环境。固相低温ec-nmr实验将样品放置在低至液氮温度的超低温环境下，对电化学体系反应过程进行原位监测，获取电化学反应过程中间产物或最终产物的核磁共振信息，从分子水平上揭示电化学反应机理。这一实验过程往往需要累加上千次采样，射频脉冲的持续激发将在样品上产生大量的热能，致使样品实际温度升高，而低温温度检测传感器距离线圈和样品较远，所指示的温度和样品内部的实际温度有偏差，特别是在射频脉冲连续激发的情况下，样品内部的温度会明显高于温度传感器指示的温度。这将产生检测误差，影响反应机理分析等。实验样品的温度会急剧上升，不仅会破坏实验样品的结构，影响实验结果的准确性，而且会缩短样品的寿命。因此射频脉冲在样品中产生的热量是固相低温ec-nmr实验需要克服的重要问题。

核磁共振实验中，样品中的射频场效应通常指的是振荡b1场产生的扰动。而射频场传播的电场e1对样品的激发不起作用，常常会被忽略。然而累加实验中射频电磁波中的电场会产生大量的热能。这些热能(即射频电场加在样品上所产生的热量)的产生与线圈和样品的四种物理现象有关联。第一种是导电样品中电荷流动产生的焦耳效应，在这一种情况下，焦耳电流产生的原因主要是发射时射频脉冲在线圈中产生的电流和接收时线圈的涡流(特别是在梯度的快速切换期间)。第二种是在使用振荡电场时，样品内的自由电荷开始运动，发生电阻性损耗。第三种是振荡场中的样品电偶极子相互作用，但是这种相互作用被电偶极子所在的环境所阻碍，并且能量来源于电场(介电损耗)。第四种是自旋产生的磁共振吸收，在室温情况下的nmr实验中，其所产生的热能可以忽略不计，而在低温液氮环境下，该因素会明显增大。

在有关低温固相ec-nmr的各类文献中，射频脉冲产生的热效应影响和所采取措施均未见报道，线圈结构也为螺旋线圈形状。例如：文献“y.y.tong,a.wieckowski,ande.oldfield.nmrofelectrocatalysts,j.phys.chem.b2002,106,2434-2446”报道了一种用于固相ec-nmr的螺旋线圈电路结构。而常规核磁共振低电场射频线圈产品主要是改进型loop-gap线圈内侧两端各嵌套一个环状导体，例如安捷伦核磁共振波谱仪配置的探头常规氢通道线圈。

低电场线圈的相应文献报道，主要有如下几种：第一种是采用正交线圈设计，外层通常是loop-gap线圈，内层是螺线管线圈，内外两层相互隔离，一般是用在双通道检测中，而且这种设计往往是为了减少样品在¹h频率下的电场。例如：文献“peterl.gor’kov,eduardy.chekmeney,andconggangli.usinglow-eresonatorstoreducerfheatinginbiologicalsamplesforstaticsolid-statenmrupto900mhz,j.magn.reson.185(2007)77-93.”报道了该种线圈地设计方法和其实验结果。

第二种是在螺线管线圈里面嵌套一个类似于loop-gap线圈的无源导体，因为该导体类似于法拉第笼，能够有效地屏蔽电场，且磁场方向与外部的螺线管线圈一致，能够补偿磁场均匀性。例如：文献：“alexanderkrahn,uwepriller,lyndonemsley,frankengelke.resonatorwithreducedsampleheatingandincreasedhomogeneityforsolid-statenmr,j.magn.reson.191(2008)78-92.”报道了该种方法设计的线圈的仿真结果和实物。

第三种是文献：“chinh.wu,christopherv.grant,gabriela.cook,sanghopark,andstanleyj.opella.astrip-shieldimprovestheefficiencyofasolenoidcoilinprobesforhighfieldsolid-statenmroflossybiologicalsamples,j.magn.reson.200(2009)74-80.”提出的在螺线管线圈中嵌套一个带条状的屏蔽层，该方法可以有效地减小射频线圈所产生的电场。

但是这些方法只适用于轴向射频线圈，对于横向射频线圈来说，这些方法都不适用。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种用于低温固相电化学-核磁共振的低电场鞍型射频线圈，不仅能够有效降低电场，而且采用横向射频线圈使得样品管空间增大许多，有利于ec-nmr联用中样品的制备和各种功能的扩展。

本发明采用如下技术方案：

一种用于低温固相电化学-核磁共振的低电场鞍型射频线圈，其特征在于：包括马鞍型线圈、电磁场屏蔽层、上托板、下托板、调谐匹配电路板、定位板和若干支撑杆；该若干支撑杆平行设置并依次穿过定位板、调谐匹配电路板、上托板和下托板；该马鞍型线圈两端固定于上托板和下托板，且其与调谐匹配电路板电性连接以进行射频激励和信号检测；该电磁场屏蔽层穿设于马鞍型线圈内，且其两端安装于上托板和下托板之间以减少射频脉冲在线圈内部产生的电场分量；该调谐匹配电路板、定位板、上托板和下托板均设有进出孔以安装样品管。

所述马鞍型线圈为采用厚度0.1-0.25mm的紫铜材料加工而成的双层马鞍型线圈。

所述马鞍型线圈顶端设有两引脚以与所述调谐匹配电路板电性连接。

所述电磁场屏蔽层为pi基底的软性电路板，其内表面设有若干平行设置的环状电路，外表面紧贴所述马鞍型线圈内侧。

所述环状电路与所述马鞍型线圈的主轴相垂直，所述电磁场屏蔽层设有9-12个所述环状电路，相邻的所述环状电路间距为0.8-1.2mm。

位于所述电磁场屏蔽层顶端和底端的所述环状电路宽度为3.7-4.0mm，其余所述环状电路宽度为0.8-1mm。

所述电磁场屏蔽层设有若干环状部和若干连接部，该环状部与所述环状电路适配，该连接部连接于相邻两环状部之间。

所述上托板和下托板均设有定位槽。

包括有三个所述支撑杆，并呈等腰三角型分布。

所述调谐匹配电路板上设有调谐电容和匹配电容，该调谐电容和匹配电容与所述马鞍型线圈电性连接。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用双层马鞍型线圈结构，有利于ec-nmr联用中样品的制备和各种功能的扩展。

2、本发明具有多层平行环状电路结构的电磁场屏蔽层，屏蔽层平行环状电路的方向垂直于鞍形线圈的主轴，总共11个环，环与环之间的间距为1mm，以双层马鞍型线圈窗口为中心上下的9个平行环宽度为0.8mm，上下两端的平行环宽度为3.7mm，使整个样品区域内的电场下降到没有屏蔽层的20％，有效的降低样品热量。

3、本发明电磁场屏蔽层采用镂空设计，环之间采用一小段竖条相连，起支撑作用；

4、本发明的上下托板中心设有线圈和屏蔽层定位槽，能够有效稳固样品管、鞍型线圈和电磁场屏蔽层；支撑杆位置构成度等腰三角形，长斜边窗口用于放置样品管。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图2是本发明实施例的鞍型射频线圈结构示意图。

图3是本发明实施例的电磁场屏蔽层结构示意图。

图4是本发明实施例的上托板示意图。

图5是本发明实施例的下托板示意图。

图6是本发明实施例的调谐匹配电路板示意图。

图7是本发明实施例的定位板示意图。

其中：1a、马鞍型线圈，1b、管脚，1c、电磁场屏蔽层，1d、环状部，1e、连接部，2a、上托板，2b、第二通孔，2c、第二进出孔，2d、第二定位槽，2e、管脚通孔，3a、下托板，3b、第一通孔，3c、托槽，3d、第一定位槽，4a、调谐匹配电路板，4b、第一安装孔，4c、第二安装孔，4d、第三安装孔，4e、第三通孔，4f、第三进出孔，5a、定位板，5b、第四安装孔，5c、第一匹配通孔，5d、第二匹配通孔，5e、样品槽，5f、第四通孔，6a、支撑杆，7a、样品管。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种用于低温固相电化学-核磁共振的低电场鞍型射频线圈，包括马鞍型线圈1a、电磁场屏蔽层1c、上托板2a、下托板3a、调谐匹配电路板4a、定位板5a和若干支撑杆6a等。该若干支撑杆6a平行设置并依次垂直地穿过定位板5a、调谐匹配电路板4a、上托板2a和下托板3a。

本发明包括有三个支撑杆6a，并呈80°等腰三角型分布，各个板之间间隔设置，其距离可根据需求设置，满足调谐匹配电路上的匹配电容和调谐电容有足够空间与马鞍型线圈1a的管脚1b相连，匹配电容和调谐电容有足够的空间安装套管和调谐杆。例如：上托板2a和下托板3a之间相距24.8mm，上托板2a和调谐匹配电路板4a之间相距40mm，调谐匹配电路板4a与定位板5a之间相距30mm，方便实验操作。实验时，整体的射频线圈置于-196℃的超低温液氮环境下。

上托板2a和下托板3a均设有进出孔、定位槽和通孔。其中下托板3a设有若干个第一通孔3b、第一进出孔和第一定位槽3d，该第一通孔3b数量与支撑杆6a数量一一对应，该第一进出孔为托槽3c，第一定位槽3d位于托槽3c周围。下托板3a厚度为10mm，支撑杆6a直径大小为5mm，第一通孔3b直径与支撑杆6a直径相匹配，并且三个第一通孔3b之间呈80°等腰三角形分布，具有较强的稳定性，所以三个支撑杆6a能很好地固定下托板3a。

上托板2a结构如图4所示，其设有第二通孔2b、第二进出孔2c和第二定位槽2d组成。该第二进出孔2c位于上托板2a中心，第二定位槽2d位于第二进出孔2c周围，三个第二通孔2b用于安装支撑杆6a，其分别与下托板3a的第一通孔3b的位置和大小相对应。在上托板2a上还设有两管脚通孔2e。上托板2a厚度为10mm，第二进出孔2c的直径大小为10.8mm，管脚通孔2e直径为5mm。

该马鞍型线圈1a两端固定于上托板2a和下托板3a，通过第一定位槽3d和第二定位槽2d实现固定。该马鞍型线圈1a为采用0.25mm的紫铜材料加工而成的双层马鞍型线圈，其设有两个管脚1b，可分别穿过上托板2a对应的管脚通孔2e，用于传送信号。双层马鞍型线圈厚度为0.25mm，内径为12.5mm，高度为24.8mm，窗口角为135°，窗口高度为15mm，每层的宽度为2.2mm，每层间的间隙为0.5mm。

该电磁场屏蔽层1c穿设于马鞍型线圈1a内，且其两端安装于上托板2a和下托板3a之间，通过第一定位槽3d和第二定位槽2d实现固定，用于减少射频脉冲在线圈内部产生的电场分量。电磁场屏蔽层1c可以通过卸下下托板3a后，从马鞍型线圈1a内部放入和取出。

电磁场屏蔽层1c为pi基底的软性电路板，其内表面设有若干平行设置的环状电路，外表面紧贴马鞍型线圈1a内侧。该软性电路板为圆柱状且镂空设计，其设有若干环状部1d和若干连接部1e，该环状部1d与环状电路适配，该连接部1e连接于相邻两环状部1d之间。环状电路与马鞍型线圈1a的主轴相垂直，电磁场屏蔽层1c设有9-12个环状电路，优选为11个，相邻的环状电路间距为0.8-1.2mm，优选为1mm。位于电磁场屏蔽层1c顶端和底端的环状电路宽度为3.7-4.0mm，优选为4mm，其余环状电路宽度为0.8-1mm，优选为0.8mm。

具体的，电磁场屏蔽层1c由温度特性优异并且能够自由弯曲的材料聚酰亚胺pi制成，其内壁镀有环状金属铜，各个环状金属铜之间的间隔是1mm，中间的9个环状金属铜均匀地分布在马鞍型线圈1a的窗口内，宽度为0.8mm，而线圈两端使用宽度为3.7mm的环状金属铜。屏蔽层之间采用镂空设计，能够减小射频信号的损失，并有效地在维持磁场强度不减弱的情况下屏蔽线圈产生的电场，从而能够有效地保护样品的寿命。

在测试无电场屏蔽层马鞍型线圈实验时可以卸下下托板3a取出电磁场屏蔽层1c，而在进行有电场屏蔽层马鞍型线圈实验时可以卸下下托板3a放入电磁场屏蔽层1c。

调谐匹配电路板4a结构如图6所示，包括基板、调谐电容、匹配电容及信号传输线。其基板包括第一安装孔4b、第二安装孔4c、第三安装孔4d、第三通孔4e和第三进出孔4f构成。电路板厚度为2mm。第三通孔4e的位置和大小分别与上托板2a的第二通孔2b相对应。第一安装孔4b直径大小为4mm，用于安装调谐电容。第二安装孔4c直径大小为4mm，用于安装匹配电容，第三安装孔4d直径大小为4mm，用于安装信号传输线，该信号传输线与外部的实验装置射频信号发射机连接。马鞍型线圈1a的一管脚1b与调谐电容和匹配电容并联之后的连接点焊接在一起，另一管脚1b与调谐电容接在一起。

本发明定位板5a结构如图7所示。其包括第四安装孔5b、第一匹配通孔5c、第二匹配通孔5d、第四通孔5f和第四进出孔。该第四进出口为样品槽5e，样品槽5e高度为5mm，直径为10.8mm，定位板5a厚度10mm。实验所需的样品管7a直径为10.5mm，可以通过样品槽5e、各进出孔、放入射频线圈内部。

第四通孔5f的位置和大小分别与调谐匹配电路板4a上的第三通孔4e相对应。第四安装孔5b的位置和大小和第三安装孔4d相对应。第一匹配通孔5c直径大小为5mm，位置和第二安装孔4c相对应。第二匹配通孔5d直径大小为5mm，位置和第一安装孔4b相对应。

通过仿真分析，本发明所实施的低温固相电化学-核磁共振的低电场鞍型射频线圈具有良好的性能，在加上电场屏蔽层之后，反射系数s11可以调到-15db以下，检测区内射频信号磁场强度仅下降了2％，磁场均匀区和均匀性保持不变，而影响实验结果的射频信号电场强度下降了80％，有效地降低了样品的热量。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。