超导核磁共振自动匀场系统

2013-04-10  来源:

立项年度:2010年   负责人:刘朝阳

完成年度:2012年   完成单位:中国科学院武汉物理与数学研究所

 

核磁共振实验的基本条件之一就是需要一个均匀的外加强磁场,而为了获得均匀的磁场,就必须要求用户进行匀场操作。因此自动匀场从高分辨核磁谱仪产生开始便是核磁实验工作者和核磁谱仪生产商的梦想和追求,方便的自动匀场可以节约用户大量的时间,为用户提供极大的便利。本项目的主要目标便是设计研发自动匀场所需的匀场硬件(室温匀场电源)和匀场软件(匀场控制和自动匀场算法),从而降低匀场难度,提高NMR实验的效率。

 

项目技术和方法

实现自动匀场需要匀场硬件(室温匀场电源)和匀场软件(自动匀场算法)作为基本条件。本项目研制的自动匀场系统针对这两个基本条件进行了充分的调研,开发了高稳定的室温匀场电源以及高效的自动匀场算法。

 

高稳定室温匀场电源

工作稳定、操作便捷的室温匀场电源系统是实现自动匀场的基本条件,应用于高分辨核磁谱仪的室温匀场系统客观要求其具有多通道、大电流输出、高稳定性的特点。与现有室温匀场电源系统相比,本系统研制的匀场电源主要技术创新点体现在:

1. 采用成熟的嵌入式TCP/IP方案,具备较高的通信速率(100Mbps),且方案成熟可靠,成本低廉;

2.匀场电源控制器采用最新的现场可编程门阵列(FPGA)作为控制核心,具有优秀的并行运算能力,系统实现灵活,方便,功能可进行十分方便地扩展而无需对硬件进行任何修改。

3.系统采用模块式结构,对通道数进行匹配时只需要插入相应数量的硬件电路板即可,需要进行其他操作,维修,拆卸均十分方便。

 

40路匀场电源

 

自动匀场算法

在实现各种常规自动匀场方法的基础上,进行一定的改进,以提高匀场效率。各种常规的自动匀场方法包括:基于单纯下降型(Simplex)搜索的自动匀场方法、一维和三维梯度自动匀场方法以及结合线形拟合的梯度自动匀场方法。相比于现有的方法,新的自动匀场算法主要体现在缩短自动匀场所需的时间和提高匀场后采集得到的谱图的线形和分辨率。

在采用最为普遍的一维梯度匀场后,一般的谱仪分辨率不能达到仪器验收的指标(0.45/6.0/12.0),实验样品为1% Chloroform in 99% Deuteroacetone,采用结合线型拟合的梯度匀场,并且通过改进梯度匀场的脉冲序列来消除梯度涡流的影响,可以达到指标。

 

自动匀场系统的参数和指标

指标内容

任务书规定

实际达到情况

1

输出电流范围

±1A

±1A

2

输出电流分辨率

300uA

1/2^15≈30μA

3

输出最大通道数

40

40

4

输出电流时间稳定性

20ppm/h

≤15ppm/h

5

输出电流温度稳定性

20ppm/℃

≤15ppm/℃

6

匀场后谱仪分辨率(谱峰50%/0.55%/ 0.11% 的宽度)

0.45/6.0/12.0

0.32/5.29/9.29

 

 

应用和推广

自动匀场系统目前已应用于超导核磁共振波谱仪的产业化开发,为应用工程师和用户提供了极大的便利,利用研制的自动匀场系统应用工程师进行“冷场”匀场所需的时间可以缩短在3~6小时,而普通用户在更换样品匀场所需的时间一般在3~5分钟。

作为通用的匀场系统,可以应用到核磁共振谱仪和核磁共振成像仪等设备中,帮助用户从繁琐的匀场工作中解放出来,从而节约了NMR谱仪的宝贵机时,大大提高了工作效率;加强了自主研制NMR谱仪的自动匀场能力,提高了谱仪的实用性,进一步推进了谱仪的产业化进程。

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