Разработка методов автоматизированного проектирования, расчета и контроля магнитных систем спектрометров ЯМР

• Автор: Цветков, Алексей Николаевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 120 с. : ил.

ГЛАВА 1. МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ В АВТОМАТИКЕ И НАУЧНОМ

ПРИБОРОСТРОЕНИИ

1.1. Методы проектирования расчета и контроля магнитных

систем ЯМР-спектрометров

1.1.1. Автоматизация проектирования (программное

обеспечение)

1.1.2. Автоматизация наладки

1.1.2.1. Автоматизация управления

1.1.2.2. Автоматизация сбора информации

1 -2. Магнитный резонанс, датчики магнитного резонанса. ЯМР

анализаторы и расходомеры

1.2.1. Стационарные преобразователи расхода
1.2.2. Импульсные ЯМР-расходомеры
1.2.2.1. Импульсный спектрометр ЯМР
1.2.3. Функциональная схема спектрометра
1.2.4. Датчик сигналов ЯМР
1.2.5. Программное устройство
1-3. Магнитные системы для ЯМР-интроскопии
1.3.1. Градиентные катушки
1.3.2. Радиочастотные катушки
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
2.1. Аналитические методы
2.1.1. Метод поверхностных зарядов
2.2.2. Метод интегральных уравнений
2.2. Численные методы
2.2.1 Метод конечных разностей
2.3. Типовые задачи магнитостатики, применяемые при
проектировании ЯМР-спектрометров
2.3.1. Методы синтеза полей
2.3.2.Коррекция поля с помощью системы ортогональных 51 катушек
2.3.3. Проблемы, связанные с отраженными токами
ГЛАВА 3.
3.1 Реализация расчетных методов синтеза магнитных полей с
помощью интегрального уравнения в среде Visual Basic
3.1.1. Магнитное поле катушек конечного сечения
* 3.1.2. Поле постоянных магнитов
3.1.3. Поле магнитов с железными наконечниками
3.1.4. Применение метода конечных разностей для расчета магнитного поля
3.2. Установка для проектирования магнитных систем
ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ НА
КОНФИГУРАЦИЮ ПОЛЯ
4.2. Активное магнитное экранирование и синтез магнитных
полей
4.2.1. Экспериментальная модель активного экрана
4.3. Соленоид в ферромагнитном экране конечного сечения
ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПОЛЕЙ. ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛЕЙ С
ЗАДАННОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ В ЭЛЕКТРОМАГНИТЕ С ЖЕЛЕЗНЫМ ЭКРАНОМ
5.1. Магнитные системы расходомеров-анализаторов
5.2. Установка для исследования и настройки магнитных полей
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Актуальность темы
В настоящее время производство стало активно использовать высокие научные технологии. Одним из перспективных методов контроля является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Во многих отраслях производства внедряются ЯМР-анализаторы и расходомеры. В энергетике ЯМР-расходомеры и анализаторы могут использоваться для контроля качества воды, состава горючих смесей и технологических материалов.
Основными элементами ЯМР-анализаторов и расходомеров являются магниты для создания основного резонансного поля. К качеству магнитов и однородности магнитных полей в зазоре магнита предъявляются высокие требования. Относительная однородность поля в рабочей области должна составлять от 10'6 до 10'4.
В данное время в биологии и медицине активно используются ЯМР-томографы, к магнитным системам которых предъявляются даже более жесткие требования, чем к магнитным системам ЯМР-анализаторов. В этой области рабочий объем томографа значительно превышает рабочий объем обычного ЯМР-анализатора. Кроме того, относительная однородность магнитного поля в рабочем объеме должна составлять от 10'5 до 10‘6.
Таким образом существует народно-хозяйственная проблема создания спектрометров ЯМР различного назначения.
В связи со сказанным выше возникает задача разработать методы расчета магнитных систем и приборы контроля качества магнитного поля. В этой области науки и техники имеется богатый арсенал математических методов и прикладных программ. Для примера можно привести программу «АК8У8», позволяющую рассчитывать магнитные поля систем различной конфигурации. Однако данная программа не приспособлена для решения задач ЯМР-приборостроения, имеет сложный интерфейс и высокую стоимость.

поля линейного кругового тока [1]. Искомое магнитное поле устройства определяется суммированием этих элементарных полей (принцип наложения). Во всех случаях окончательные выражения содержат полные эллиптические интегралы и интегралы от их комбинаций с элементарными функциями.
Геометрия магнитной системы
Исследуемая область
Исследовать область:
Оптимизация
Г рафик
Вкл/Выкл
Отмена
Рис. 3.1.1. Внешний вид блока ввода исходных данных.
Используя закон Био-Савара, составляющие вектора напряженности магнитного поля Н’ линейного кругового тока / в цилиндрической системе координат (рис. 3.1.1) можно записать следующим образом.
... , . Вг-гВг'^соза
Н'(г,г) = у | ба (3.1.1)
471 0 г03
н,{г2) = ^г^ааа (ЗЛ2)
О г*
I 2 2
где го = у/(г - г') + г + г' —2гг'сош - расстояние от точек контура до точки наблюдения Р. Напряженность поля имеет только радиальную и осевую составляющие, которые зависят от двух координат.
На рис. 3.1.2 изображено сечение круглой цилиндрической катушки с