Введение к работе
Актуальность темы. Научно техгаческий прогресс в области приборостроения неразрывно связан с проблемами качества и надежности приборов и аппаратуры. Для решения этих задач необходимы разработка и внедрение новой техники, базирующейся на последниг дс?ти!!'аиі»я7 науки.
По мере развития науки и техники происходи г дальнейшее совершенствован!"3 г^ош-тт '!~5'.PV'?};;;ff и і'х основного узла первичных измерительных преобразователей. Этот процесс внр.'шается как в совершенствовании традиционных, так и в создании устройств, основанных на достаточно новых физических эффектах. К таким устройствам относятся измерительный преобразователи, использующие явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
ЯМР известен с середины 40-х годов. Магниторезонансная аппаратура, использующая это явление, имеет две основные области применения: измерительная техника и системы управления, з такие визуализация изображений в медицине, биологии, биохимии, физиологии, сельском хозяйстве с целью выявления внутренней структуры вецества или живого организма.
Использование магниторезочанснчх методов в измерительной технике позволяет наделю рішзїь задачи измерений в закрытых объемах, проводить измерения деталей сложной формы с получением изображений необходимых сечений.
Широкие возможности открываются при использовании мягниторезонанскых измерительных преобразователей в системах управления. Эти преобразователи обладают возможностью возбуждать и с достаточной чувствительностью принимать сигналы Яїч "' от атомов 'К, 'К, 13С, 1!Jp, 23Ка, Я,Р, находящихся в исследуемом веществе. Таким образом, можно контролировать состав и управлять концентрацией растворов и расплавов, в той число и текущих по закрытым трубопроводам, управлять скоростью движения и расходом веществ, контролировать и управлять і:окипктрзшіей взвесей в жидкостях. Кроне того, присутствий в веімстзе растворенных парамагнитных примесей существенно изменяет зггсг/ю характеристику процесса P1-/J* -постст-гкуп врсич:-": пподо.тьнсй релаксанти, которая относитехт-но
лзгко поддается измерению. Это обстоятельство мокио испольаоьать при создании систем управления, например, технологическими процессами химического производства.
Крупной и бурно развивающееся областью использования напштореэонансной аппаратуры является визуализащ-г іізо5ра.::аішл с помощью иагнпторезонансных (MP) томографов. №?-томографи широко применяются для медико-биологических исследований в развитых странах. Так, б Японии, клиники с количеством коек более 50 сертифицируются только при наличии МР-юиографа. В России мапшторезонанская томография также начинает развиваться. Клшшки крупних городоз начинают использовать МР-тоиографы западных фирм, покупаемые по цене 1-3 мял. долларов. В Санкт-Петербурге на конец 1995 г. имелось 5 таких установок.
Високая стоимость нагшторезонансной томографической аппаратуры заставляет вести разработки отечественной техники, которая по приблизительным подсчетам нонет иизть стоимость от 200 тис. долларов для томографов с разлстивншдл иагнмтаци до 500 тыс. долларов для томографов с магнитными системами ка постоянных магнитах.
Магшторезонзнснке топографы довольно сложный приборы, конструирование которых требует как высокого профессионализма персонала предприятий, так и высокой культуры производства. Поэтому такое производство предстсвляет несоькзнкый кнтерлс для конверсионных предприятии ВПК.
При конструироааніі.з магняторезонаненси ьпдзр-йтур*! необходимо уч:тшать, чти сеновал; устрсйствой, оиридэляасьи»' качество работ:; всей система, їншістся маишторезекзкеккй
ИЗМерИТеЛЫШЙ СреоорЗЗОЗЗ'ГЗЛЬ, СОДеркЗцИи СС-.ІІЇЕ.Щ
коляррзукщиго кагкятксго поля, скстлф коррекции этого пап;, градненткиа с радиолас-і-ої:іуп система. Ірсбов^гди г. а їли систєші; доус-як-но б'.ісо:-"?. Достаточна сказать, >ло цссілр-ізущио магнитное поле дояліо г;?.іїь огкосцтелькоа отклокднііз гкдукцїх;
НС бОЛіів 10 15.Д. (1 П.Д.-Ю'&) В ріібОЧїїК СбЪСЦЗ й.ЗтегНТі:Л?>НСГ0
преобразователя. Этот венрос ішйпзїоя одкзу из пирмогтгр.ега'л^, поскольку качгстзо &?: ryv.va г-'рл тс^ограіі-.^ с;ір;,г-.":.иіітс.г; Бггчтакс2 и сл:;оралііост/..-и п&ляржзух^го пая*: ы лїлїл;::ост'>і: полі: градиjjk-і.Оі1: «.сті,*.-.:; н о-ійочси с-Зъоз.'2 нро^р&зсьз-хе^з. .
случайно в ряде работ отмечается, что одно из важнейших направленій развития магниторезонансной аппаратуры будет проходить по линии усовершенствования магнитных и градиентных систем магкиторезонэнсных измерительных преобразователей, заключающегося в максимальном увеличении рабочего объема маг-ниторезокансных измерительных преобразователей при минимизации их веса, энергопотребления, стоимости изготовления и эксплуатации.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методов синтеза мэгнитореэонансных измерительных преобразователей с увеличенным относительным рабочим объемом для систем управления и магниторезонансной томографии. Решение этой проблемы имеет первостепенное значение для снижения веса, энергопотребления, стоимости изготовления а эксплуатации магниторезонансной аппаратуры.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Выявить основные проблемы создания магниторезонансных
лзмеритэлышх преобразователей, принципы их пострсешя,
показатели качества.
2. Оценить важнейшие характеристики существующих
лагниторезенансных измерительных преобразователей и предложить
Т7ти их совершенствования.
3.Исследовать связь между основными характеристиками гагниторезонанскнх измерительных преобразователей и характеристиками их отдельных систем.
4. Предложить и теоретически разработать метода синтеза
--зстем внеокооднородного поляризующего магнитного поля,
сорректкрующих, радиочастотных и хчэадаентш? скстеи
т"пітсрєзонансіщх измерительных преобразователей.
5. Разработать математическое? -списание, алгоритм и
ірограммн синтеза систем магняторезокзнскых измерительных
іраобрззоватплєй.
6. Рассчитать оптимальнее варианта
:пособи их конструктивного выполнения.
7. гтровести экспериментальное исследования начетов п
!гты?1-нх образцов систем магниторэзокансных к?млрительнн.т
Ґ:
преобразователей.
Научная новизна. В работе получены научно обоснованные технические решения, повышающие эффективность и расширяющие возможности магшторезонансной аппаратуры, используемой в системах управления, измерительной технике, медицине, вносящие значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в этих областях.
-
Выявлены основные проблемы создания магниторезонансных измерительных преобразователей. Выбрано, обосновано и получило дальнейшее развитие в диссертации одно из эффективных направлений совершенствования магниторезонансной аппаратуры -разработка методов проектирования магниторезонансных измерительных преобразователей с увеличенным рабочим объемом.
-
Исследована связь между однородностью поляризующего магнитного поля, линейностью и величиной градиентных полей и основными характеристиками магниторезонансных измерительных преобразователей.
3. Предложен и теоретически обоснован локально-
интегральный метод синтеза, позволивший разработать
математическое описание, алгоритмы и программы для оптимальных
расчетов систем поляризующего магнитного поля, корректирующих,
градиентных и радиочастотных систем магниторезонансных
измерительных преобразователей с увеличенным относительным
рабочий объемом. Новизна подтверждается 2-мя авторскими
свидетельствами и 5-ю патентами РФ.
-
Предложен и математически обоснован метод коррекции основных погрешностей изготовления систем поляризующего магнитного поля. Предложена корректирующая система, применение которой позволяет значительно расширить допуски на изготовление магнитных систем.
-
Обоснован и разработан метод учета влияния пленарных систем поляризующего магнитного поля на оптимальную конфигурацию корректирующих и градиентных систем.
-
Предложен метод и математическое описание расчета токов корректирующих систем с целью получения высокооднородного поляризующего магнитного поля в рабочем объеме магниторезонансных измерительных преобразователей.
Практическая ценность работы заключа-
ется в том, что она является научной основой при проектировании магниторезонансных измерительных преобразователей. Мптода расчета систем измерительных преобразователей доведен» до программных продуктов, позволяющих вести инженерны» расчеты.
Разработанные на новых принципах мапшторезонансные измерительные преобразователи имеют относительный рабочий объем в 1,2 - 2 раза больший, чем у существующих." Это позволяет значительно снизить вес, энергопотребление, стоимость изготовления и эксплуатации магниторезочансной аппаратуры.
Реализация работы. В период проведения теоретических и экспериментальных исследований, совместно с промышленными предприятиями были изготовлены, всесторонне экспериментально исследованы и использованы для комплектации планарных систем поляризующего магнитного поля градиентные, корректирующие и радиочастотные системы для педиатрического томографа, градиентные системы для полномерного томографа.
Научные отчеты по данным работам, в которых предложены новые принципы синтеза магниторезонансных измерительных преобразователей, переданы НПО "Днепропетровский машиностроительный завод", з-ду "Пирометр" и НПО "Электроавтоматика" (г, Санкт-Петербург), проводившим разработку магниторезонан-сной аппаратуры.
С использованием результатов, полученных в процессе . работы, разработан и изготовлен действующий макет малогабаритного магниторезонансного томографа, установленный на кафедре "Измерительные технологии и компьютерная томография" Санкт-Петербургсгого Государственного института точной мез іники и оптики (ТУ) и применяющийся в учебном процессе.
Кроме того, материалы работы используются на лекциях, лабораторных тзаботах, в курсовом и дипломном проектирования при подготовке инженеров по специальности 1901-"Приборостроение."
А п р о б і ц и я работы. Результаты работн докладывались, обсуждалась и получили полоштельную отчску на кафедре "Измерительное технологии и компьютерная томография" и научных конференциях Счнкт-Петербургского Государственного
института точной механики и оптики (ТУ), на VII Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительная аппаратура" (Ленинград, 1989), на научно-технической конференции с международным участием "Приборостроение - 92" (Керчь, 1992), на научно-методической конференции "Высшая школа и перспективы исследований в интересах медицины", организованной Российским центром координации фундаментальных и прикладных исследований для медицины при Санкт-Петербургском Государственном Университете (Санкт-Петербург, 1993), на научно-технической конференции "Приборы и приборные системы" (Тула, 1994), на Всероссийской научно-технической конференции "Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии" (Владимир, 1994), на Всероссийской научно-технической конференции "Конверсия, приборостроение, рынок" (Владимир, 1995).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 научных работ. Из них 2 авторских свидетельства и 5 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, восемь разделов, заключение, список опубликованных научных работ по теме диссертации, литературу из 89 най м енований и изложена на 229 страницах, включая 31 рисунок, 17 графиков, 2 схемы, 20 таблиц. Приложение содержит 36 страниц примеров текстов некоторых программ, разработанных и использованных при расчетах.
