一种磁屏蔽环境下的高均匀区磁场线圈设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高均匀磁场线圈设计方法，特别是一种在磁屏蔽环境下的高均匀 磁场线圈设计方法。
【背景技术】
[0002] 核磁共振巧螺为下一代巧螺技术的主要发展方向之一。磁线圈与磁屏蔽层是核磁 共振巧螺中磁场操控的主要执行元件，磁线圈所产生磁场的均匀性直接影响核自旋系综的 精密操控能力，是决定巧螺精度的核屯、之一。随着核磁共振巧螺体积尺寸的降低，磁屏蔽 层、磁场线圈等元件随之减小，不仅要求微小尺寸的线圈仍具有较大均匀区，而且要求线圈 与磁屏蔽层紧密贴合设计，W减少空间浪费。由于线圈均匀区与线圈体积成正比，当线圈结 构形式不变而尺寸减小时，其产生磁场的均匀区会随之减小；同时，若仍采用常规磁线圈结 构及设计方法，磁屏蔽边界会减小线圈磁路中磁阻的大小，从而改变磁通路径，导致线圈磁 场均匀性大幅减小。在磁屏蔽边界下进行高均匀性磁场线圈设计时，磁屏蔽边界对线圈磁 场的影响无法定量的用解析法求解，只能通过有限元进行仿真计算，运就无法得到线圈磁 场的解析模型，使得线圈优化时计算量大大增加，甚至无法得到最优值。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有设计技术不足，提供一种磁屏蔽边界下的高均匀磁场 线圈设计方法。
[0004] 为了达到上述目的，本发明采用W下技术方案：
[000引本发明一种磁屏蔽边界下的高均匀磁场线圈设计方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤一、确定磁场增益系数
[0007] (1)利用毕奥沙法尔定律在自由边界条件下，分别计算分段式线圈绕制位置XI处， 单应线圈在线圈均匀区内的中间位置和两端处的磁场，其中i为大于等于0的常数；
[0008] (2)利用有限元法建立磁屏蔽边界模型，分别计算磁屏蔽边界条件下，分段式线圈 绕制位置XI处，单应线圈在线圈均匀区内的中间位置和两端处的磁场，其中i为大于等于0 的常数；
[0009] (3)将步骤(1)和步骤(2)两种边界条件下得到的磁场的比值设为磁屏蔽边界对线 圈磁场系数放大作用的等效增益系数，则可得到线圈绕制位置处，单应线圈在线圈均匀区 内的中间位置和两端处的磁场增益系数，磁场增益系数记为〇1，其中i为大于等于0的常数；
[0010] 步骤二、用磁场增益系数来等效磁屏蔽边界对线圈磁场产生的影响，假设线圈不 同绕制位置XI处线圈应数为Ni，则利用步骤一中的增益系数可得到线圈均匀区中间位置和 线圈均匀区的两端处的各线圈Ni产生的合磁场，线圈均匀区中间位置和线圈均匀区的两端 处的合磁场分别记为Bo和Bi。，其中i为大于等于0的常数，则：
[001引式中：η为大于ο的正常数;μ0为空气的磁导率，μ0 = 43?Χ l0-7H/m;ai为磁场增益系数 记，无量纲;Ni为XI位置处线圈应数;R为线圈绕制半径，单位m;xi为第i分段处线圈沿轴向距 离中屯、点的距离，单位m;I为电流强度，单位A;lc为线圈均匀区沿轴向的长度，单位m;
[0014] 步骤；、定义磁场变化率
，则可构造 W0值最小为目标，Wxi和Ni为自 变量的优化模型，对步骤二中Bo和Bic的解析式进行优化求解计算，则可得到磁场均匀性最 高的线圈参数。
[0015] 分段式线圈沿绕忍轴向对称布置，且处于对称位置上的线圈应数相同。
[0016] 在磁屏蔽桶尺寸已知的情况，对于磁屏蔽桶内部线圈采用五段式进行绕制时，磁 屏蔽桶内部线圈的结构参数线圈半径R，单位m，线圈均匀区沿轴向的长度1。，单位m，各分段 线圈距离中屯、段的距离xo、xi和X2,单位m，五段线圈的应数分别为化、肥、^、肥和化；
[0017] 步骤一、确定磁场增益系数；
[0018] (1)利用毕奥沙法尔定律分别计算自由边界条件下，线圈中间位置(线圈0位）、xi 和X2处，单应线圈在线圈均匀区内线圈均匀区中间位置(0位)和线圈均匀区的两端处(lc/2 位)的磁场，分力[]记为6,_0_1、Bz_0_2、Bz_xl_l、Bz_x1_2、Bz_x2_1、Bz_x2_2 ;
[0019] (2)采用有限元法建立磁屏蔽边界模型，分别计算磁屏蔽边界条件下，线圈中间位 置(线圈0位）、X1和X2处，单应线圈在线圈均匀区内线圈均匀区中间位置(0位)和线圈均匀区 的两端处（1C/2位)的磁场，分别记为Bp_0_l、Bp_0_2、Bp_xl_l、Bp_xl_2、Bp_x2_l、Bp_x2_2 ;
[0020] (3)将步骤(1)和步骤(2)两种边界条件下得到的磁场的比值设为磁屏蔽边界对线 圈磁场系数放大作用的等效增益系数，则可得到线圈中间位置(线圈0位）、xi和X2处，单应线 圈在线圈均匀区内线圈均匀区中间位置(0位)和线圈均匀区的两端处(lc/2位)的磁场增益 系数，分别记为日日_1、日日_2、日心1、日心2、日。_1、日心2，具体如公式（2)至公式（7)所示：
[0027]步骤二、利用步骤一中得到的磁场增益系数来等效磁屏蔽边界对线圈磁场产生的 影响，假设五段式绕制线圈的中间位置(线圈0位）、xi和X2处线圈应数分别为N3、N2、N1，利用 等效增益系数则可得到线圈均匀区中间位置(0位)和线圈均匀区的两端处(lc/2位)的各线 圈产生的合磁场为：
[0030] 式中：μ〇为空气的磁导率，μ日 = 43?X10-?/m;Nl、化、化为线圈应数;R为线圈绕制半 径，单位m; XI、Χ2为线圈沿轴向距离中屯、点的距离，单位m; I为电流强度，单位A; 1C为线圈均 匀区沿轴向的长度，单位m;
[0031] 步骤Ξ、定义磁场变化率
则可构造 we值最小为目标，及 N1、N2、N3为自变量的优化模型，对公式(8)和(9)进行优化求解计算，则可得到使线圈磁场 变化率最小即磁场均匀性最高的线圈参数。
[0032] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0033] 本发明一种磁屏蔽边界下的高均匀磁场线圈设计方法，利用等效增益系数来描述 磁屏蔽边界对线圈磁场的作用，使磁屏蔽边界下线圈的设计由完全依赖有限元求解转变为 可利用解析模型进行优化，因此可W得到均匀性更高的线圈结构参数，且该方法计算效率 高，可行性高。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明一种磁屏蔽边界下的高均匀磁场线圈设计方法；
[0035] 图2是本发明实施例设计线圈结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明一种磁屏蔽边界下的高均匀磁场线圈设 计方法作详细说明。
[0037] 如图1和图2所示，本发明一种磁屏蔽环境下的高均匀区磁场线圈设计方法，下面 w采用五段式绕制线圈为例，对本发明进行说明，但本发明并不限于采用五段式绕制线圈， 本发明可用于圆柱形、方形等各类线圈在磁屏蔽边界下的设计。
[0038] 在磁屏蔽桶尺寸已知的情况，对于磁屏蔽桶内部线圈采用五段式进行绕制时，磁 屏蔽桶内部线圈的结构参数主要包括线圈半径R，单位m，线圈均匀区沿轴向的长度1。，单位 m，各分段线圈距离中屯、段的距离XI和X2,单位m，五段线圈的应数分别为化、肥、肥、肥和化；
[0039] 步骤一、确定磁场增益系数；
[0040] (1)利用毕奥沙法尔定律分别计算自由边界条件下，线圈中间位置(线圈0位）、xi 和X2处，单应线圈在线圈均匀区内线圈均匀区中间位置(0位)和线圈均匀区的两端处(lc/2 位)的磁场，分力[]记为6,_0_1、Bz_0_2、Bz_xl_l、Bz_x1_2、Bz_x2_1、Bz_x2_2 ;
[0041] 通电线圈在其周围产生磁场作用，当线圈置于自由空间时，其轴线上产生磁场的 大小可根据毕奥萨法尔定律求得，毕奥萨法尔定律解析表达式如公式(1)所示：
[004引
（1)
[004引式中：B为磁感强度，单位τ;μ日为空气的磁导率，μ0 = 43?Χ10-7Η/πι，Ν为线圈应数;R 为线圈半径，单位m;x为线圈轴线上任一点与线圈面的距离，单位m;I为电流强度，单位Α。
[0044] 在自由空间