非调谐超宽频核磁共振探测技术研究

Magnetic resonance (MR) is a powerful analytical technique that has been widely used in chemistry, physics, biology and medical imaging. In particular the modern NMR spectroscopy detects the interactions of multiple nuclei in a molecule to understand molecular structures, composition, and physical properties. However, the multi-frequency probes are complex, expensive and inefficient. In particular, it is a narrow band device and requires frequent manual tuning. Current broadband approaches (such as transmission line) suffer from low signal to noise ratio(SNR)..We have developed a new concept and electronics of broadband front-end system for MR in a frequency range of 0.1-3 MHz and achieved high efficiency in transmission and high SNR in reception. .This proposal aims at extending this concept to higher frequencies (0.1-100 MHz) in order to benefit the broad applications of high field NMR and NQR. The UWB probe and RF technology will change the basic framework of MR system and enable new NMR/NQR methods, such as ultra wide band excitation and reception, and simultaneous multi-frequency spin manipulations. .For spectroscopy, it will enable multi-nuclei measurements with a single coil probe, rapid frequency switching and much simpler than the current multi-resonance probes. For NQR, it will allow rapid scanning of broad NQR spectrum and two-dimensional NQR. These NQR technologies will enable practical application of NQR technology for non-invasive detection of explosives, illicit drugs, and pharmaceuticals.

利用核磁共振（NMR）波谱技术，可探测分子中不同原子核之间的多核相互作用，从而了解物质的分子结构、组成和物理特性。然而，核磁共振多频探头结构复杂、价格昂贵、使用效率较低，并且这种探头带宽较窄，需要频繁地进行手动调谐。本课题组前期已成功开发了一种新的超宽频方法，并设计和制造了宽频（0.1-3MHz）探头和射频前端，获得了高效的激发功率和较好的信噪比。本次项目申请，希望将此新方法扩展到更宽的频率范围 (0.1-100MHz), 以利于NMR和核四极共振（NQR）的广泛应用。这种超宽频的射频探测技术将改变磁共振系统架构, 并产生新的NMR/NQR方法, 如超宽频的激发和接收、同时实现多频率自旋操控等。对于NMR，将采用单一探头实现多核测量，比目前的多频探头更加简单方便；对于NQR，能够对一维和两维NQR实现快速的宽频扫描，这些NQR技术将在爆炸物、违禁药物和药品的无创检测中得到广泛应用。

基于非调谐的超宽频磁共振探测技术，无需对探头进行调谐即可对不同频率的核自旋进行磁共振检测，在锂电池等宽频研究、核四极共振探测领域等均具有非常重要的应用价值。本项目主要对宽频射频前端相关的自收自发线圈及驱动技术、宽频低噪声放大技术和宽频T/R开关及驱动技术进行研究。基于传输线结构，设计了一种自发自收的宽频磁共振线圈，在射频发射期间，线圈呈现传输线特性实现宽带发射；在射频接收期间，线圈能够切换为单电感模式提高接收灵敏度。配合线圈在接收期间的单电感特性，接收通路的低噪声放大器被设计为高输入阻抗，可有效探测电感线圈感应的磁共振信号，克服宽频范围内阻抗不连续带来的信号反射，采用共源共栅结构减小米勒电容的影响，提升了放大器工作带宽。T/R宽频开关设计采用了PIN二极管作为开关器件，确保了开关的宽频性能。提出了平衡型T/R开关的设计，使用差分信号驱动对称布局的PIN二极管，有效抑制了T/R开关在收发切换时产生的电平跳变和过冲振荡，加速了开关切换时间。基于以上技术研究，本项目设计了一体化的非调谐超宽频核磁共振射频前端，对宽频线圈、宽频低噪声放大器和宽频T/R开关进行了高度集成设计，能够在0.1-120MHz频率范围内对核自旋进行探测。另外，对磁共振谱仪技术进行提升，研制了0.5T超宽频核磁共振系统实验平台，并探测了1H、19F、2H和7Li四种不同频率原子核的磁共振信号，验证了宽频射频前端对磁共振信号探测的性能。本项目设计的超宽频核磁共振射频前端，与常规调谐前端进行了性能比对测试，利用相同的硫酸铜水溶液样品，探测到的信号信噪比约为常规调谐前端的73%。另外，课题组在宽频应用方向围绕钴酸锂和磷酸钒钠体系进行了微观结构和机制的研究，设计的宽频技术方法在这两个体系中得到了应用，获得的谱学信息为相结构的判断、微观表界面结构的鉴定、体相和表面结构演变提供了重要依据，体现了宽频技术在此类研究中的重要价值。.在项目执行期间，发表学术论文13篇，其中SCI收录6篇；申请国家发明专利4项，已授权1项；培养了硕士研究生6名。