專利名稱：一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料及mri磁信號增強器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料及MRI磁信號增強器件。
背景技術(shù)：
目前，國際社會對磁導(dǎo)率方面已有大量的研究，其中對于正磁導(dǎo)率的研究已經(jīng)趨于成熟，對于負(fù)磁導(dǎo)率超材料的研究是現(xiàn)在國內(nèi)外研究的熱點，負(fù)磁導(dǎo)率具有量子極化作用，可以對入射波產(chǎn)生極化作用，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的磁共振成像技術(shù)，負(fù)磁導(dǎo)率材料能夠加強電磁波的成像效果，另外負(fù)磁導(dǎo)率材料在透鏡研究方面亦有重要作用，在工程領(lǐng)域，磁導(dǎo)率通常都是指相對磁導(dǎo)率，為物質(zhì)的絕對磁導(dǎo)率U與磁性常數(shù)U。(又稱真空磁導(dǎo)率)的比值，Ur= U/Po，無量綱值。通常“相對”二字及符號下標(biāo)r都被省去。磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)受到磁化場H作用時，內(nèi)部的真磁場相對于H的增加(ii > I)或減少< D的程度。至今發(fā)現(xiàn)的自然界已存在的材料中，U都是大于0的。核磁共振(MRI)成像系統(tǒng)的原理是利用線圈去檢測原子核自旋吸收和發(fā)射的無線電波脈沖能量，該線圈作為接收線圈，在有些時候還同時作為發(fā)射線圈。在無線電波脈沖能量的幫助下，核磁共振成像掃描儀可以定位患者體內(nèi)一個非常小的點，然后確定這是何種類型的組織。核磁共振成像機器采用特定于氫原子的無線電頻率脈沖。系統(tǒng)引導(dǎo)脈沖對準(zhǔn)所要檢查的身體區(qū)域，并導(dǎo)致該區(qū)域的質(zhì)子吸收使它們以不同方向旋轉(zhuǎn)或旋進所需的能量。這是核磁共振成像裝置的“共振”部分。無線電頻率脈沖迫使它們(指每一百萬質(zhì)子中多余的一對或者兩對不匹配的質(zhì)子)在特定頻率下按照特定方向旋轉(zhuǎn)。引發(fā)共振的特定頻率被稱為拉摩爾頻率，該值是根據(jù)要成像的特定組織以及主磁場的磁場強度計算得出的。無線電頻率脈沖通常利用一個線圈來提供，該線圈稱為發(fā)射線圈?，F(xiàn)有核磁共振成像設(shè)備的接收線圈必須相當(dāng)近地接近待測部位，以獲取由待測部位釋放出來的磁信號。超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界同有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料。目前，現(xiàn)有的金屬人造微結(jié)構(gòu)的幾何形狀為“工”字形或者如圖I所示的類似“凹”字形的開口環(huán)形，但這結(jié)構(gòu)都不能實現(xiàn)磁導(dǎo)率U明顯小于0或使超材料諧振頻率降低，也不能實現(xiàn)各向同性，只有通過設(shè)計具有特殊幾何圖形的金屬人造微結(jié)構(gòu)，才能使得該人工電磁材料在特定頻段內(nèi)達到磁導(dǎo)率y值小于0，并具有較低的諧振頻率。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中負(fù)磁導(dǎo)率超材料諧振頻率較高的缺陷，提供一種諧振頻率較低的各向同性負(fù)磁導(dǎo)率超材料，另外，本發(fā)明負(fù)磁導(dǎo)率超材料在磁信號增強器件中具有較大應(yīng)用。
本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，包括至少一層具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料層，所述超材料層包括基板以及周期性陣列排布在基板兩側(cè)的多個第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)，所述第一人造微結(jié)構(gòu)由四個呈環(huán)形陣列的第一人造微結(jié)構(gòu)單元組成，所述第二人造微結(jié)構(gòu)由四個呈環(huán)形陣列的第二人造微結(jié)構(gòu)單元組成，所述第一人造微結(jié)構(gòu)單元和第二人造微結(jié)構(gòu)單元是開口在一角的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)單元的位置與第一人造微結(jié)構(gòu)單元一一對應(yīng)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)單元的形狀為所述第一人造微結(jié)構(gòu)單元的形狀繞所述環(huán)形陣列的幾何中心旋轉(zhuǎn)180度得到的形狀。優(yōu)選地，所述第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)上覆有保護層。優(yōu)選地，所述保護層厚度為0. 08-0. 12mm。優(yōu)選地，所述保護層的介電常數(shù)為4-8。優(yōu)選地，所述保護層的損耗正切值為0. 010-0. 015。
優(yōu)選地，所述保護層為有機高分子材料或陶瓷材料。優(yōu)選地，所述基板的厚度為0. 008-0. 015mm。優(yōu)選地，所述基板的介電常數(shù)為14-20。優(yōu)選地，所述基板的損耗正切值為0. 003-0. 007。一種MRI磁信號增強器件，設(shè)置在待測部位與MRI成像設(shè)備的磁信號接收線圈之間，所述MRI磁信號增強器件為超材料，所述超材料在MRI成像設(shè)備的磁信號工作頻率下具有負(fù)磁導(dǎo)率。優(yōu)選地，所述超材料為以上所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料。本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明超材料由多層經(jīng)過特殊設(shè)計的人造微結(jié)構(gòu)疊加而成，基板采用介電常數(shù)較高、損耗較低的材質(zhì)，能大大降低超材料的諧振頻率，具有良好的發(fā)展前景。本發(fā)明可以應(yīng)用到磁增強器件中，磁增強器件利用負(fù)磁導(dǎo)率超材料的磁導(dǎo)率為負(fù)這一特性，達到信號增強的效果，降低負(fù)磁導(dǎo)率超材料的頻率，是為了獲得更接近MRI成像設(shè)備的工作頻率，使MRI成像設(shè)備成像效果更好，降低MRI成像設(shè)備的成本。

圖I，現(xiàn)有負(fù)磁導(dǎo)率超材料人造微結(jié)構(gòu)不意圖；圖2，本發(fā)明優(yōu)選實施例超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3，本發(fā)明優(yōu)選實施例第一人造微結(jié)構(gòu)示意圖；圖4，本發(fā)明優(yōu)選實施例第一人造微結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖5，本發(fā)明優(yōu)選實施例第二人造微結(jié)構(gòu)示意圖；圖6，本發(fā)明優(yōu)選實施例第二人造微結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖7，本發(fā)明又一優(yōu)選實施例超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8，本發(fā)明優(yōu)選實施例磁導(dǎo)率仿真效果示意圖；圖中，I第一人造微結(jié)構(gòu)，2第二人造微結(jié)構(gòu)，3基板，4保護層，11第一人造微結(jié)構(gòu)單元，22第二人造微結(jié)構(gòu)單元。
具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
本發(fā)明提供一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，如圖2所示，包括至少一層具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料層，超材料層包括基板3以及周期性陣列排布在基板3兩側(cè)的多個第一人造微結(jié)構(gòu)I和第二人造微結(jié)構(gòu)2，如圖3所示，第一人造微結(jié)構(gòu)I由四個呈環(huán)形陣列的第一人造微結(jié)構(gòu)單元11組成。如圖5所示，第二人造微結(jié)構(gòu)2由四個呈環(huán)形陣列的第二人造微結(jié)構(gòu)單元22組成，如圖4、圖6所示，第一人造微結(jié)構(gòu)單元11和第二人造微結(jié)構(gòu)單元22是開口在一角的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，第二人造微結(jié)構(gòu)單元22的位置與第一人造微結(jié)構(gòu)單元11一一對應(yīng)，第二人造微結(jié)構(gòu)單元22的形狀為第一人造微結(jié)構(gòu)單元11的形狀繞所述環(huán)形陣列的幾何中心旋轉(zhuǎn)180度得到的形狀。下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的構(gòu)成原理及有益效果做詳細(xì)說明。第一人造微結(jié)構(gòu)I和第二人造微結(jié)構(gòu)2在基板3的相對的兩個側(cè)面呈周期性排布，例如矩形陣列排布，即以一 X方向為行、以垂直于X方向的y方向為列地排列,且各行間 距、各列間距分別相等，甚至行間距等于列間距均可。優(yōu)選行間距、列間距不大于所要響應(yīng)的入射電磁波的波長的五分之一，即例如工作環(huán)境是波長為、的電磁波，需要超材料對此電磁波的電磁特性是呈現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，則設(shè)計人造微結(jié)構(gòu)時將上述行間距、列間距選擇不大于X/5,優(yōu)選為X/10。顯然，為了使人造微結(jié)構(gòu)不互相交疊,每個人造微結(jié)構(gòu)的長度和寬度也不大于X/5。周期性排布還可以有其他具有循環(huán)規(guī)律的排布方式，例如當(dāng)基板3為圓形或多邊形時，第一人造微結(jié)構(gòu)I和第二人造微結(jié)構(gòu)2沿著圓形或多邊形基板3的外圓柱面等間距陣列一周，本發(fā)明優(yōu)選實施例的基板3為矩形，參見圖2。當(dāng)超材料層有多個時，可以按照一定的規(guī)律將它們封裝起來，如圖7本發(fā)明又一優(yōu)選實施例超材料的結(jié)構(gòu)示意圖所示，此實施例包括兩層超材料層。本發(fā)明例如當(dāng)基板3為平板狀時，各超材料層沿垂直于基板3表面的方向依次排列，層與層之間相互平行設(shè)置，優(yōu)選平行且間距相等，當(dāng)基板3為上述圓形或多邊形，則可以將多個超材料層共圓心軸地安裝固定。本發(fā)明的基板3應(yīng)選擇輕薄、介電常數(shù)高、損耗低的基板，因此基板3的厚度為0.008-0. 015mm，損耗正切值為0.003-0. 007，介電常數(shù)為14-20。保護層4主要功能為保護第一人造微結(jié)構(gòu)I和第二人造微結(jié)構(gòu)2，保護層4可以使用有機高分子材料或陶瓷材料。保護層4的厚度為0. 08-0. 12mm,保護層4的介電常數(shù)為4_8，保護層4的損耗正切值為0. 010-0. 015。本發(fā)明優(yōu)選實施例基板3選用厚度為0. 011mm、介電常數(shù)為16、損耗正切值為0. 005的陶瓷基板，保護層4選用PP材料，厚度為0. 1mm，介電常數(shù)為4. 8，損耗正切值為0. 013。本發(fā)明第一人造微結(jié)構(gòu)I和第二人造微結(jié)構(gòu)2，如圖3、圖5所示，第一人造微結(jié)構(gòu)I和第二人造微結(jié)構(gòu)2均由四個獨立的人造微結(jié)構(gòu)單元組合而成，任意人造微結(jié)構(gòu)單元均為開口在一角的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，第二人造微結(jié)構(gòu)單元22的形狀為第一人造微結(jié)構(gòu)單元11的形狀繞所述環(huán)形陣列的幾何中心旋轉(zhuǎn)180度得到的形狀。第一人造微結(jié)構(gòu)單元11和第二人造微結(jié)構(gòu)單元22可選用銅線、銀線、銅合金，甚至是金線，或者是非金屬的導(dǎo)電材料，如導(dǎo)電塑料等，第一人造微結(jié)構(gòu)單元11和第二人造微結(jié)構(gòu)單元22嵌套層數(shù)大于2。第一人造微結(jié)構(gòu)單元11和第二人造微結(jié)構(gòu)單元22的線寬為0. 1-0. 3mm,第一人造微結(jié)構(gòu)單元11和第二人造微結(jié)構(gòu)單元22的厚度為0. 03-0. 05_，第一人造微結(jié)構(gòu)單元11和第二人造微結(jié)構(gòu)單元22的線間距為0. 05-0. 15_。本發(fā)明優(yōu)選實施例的第一人造微結(jié)構(gòu)單元11和
第二人造微結(jié)構(gòu)單元22使用銅線，線寬dl為0. 10_，線寬d2為^ X o.lmm，dl、d2如
圖4、圖6所示,銅線的厚度為0. 033mm,銅線的線間距為0. IOmm,第一人造微結(jié)構(gòu)11和第二人造微結(jié)構(gòu)22的整體尺寸為3_X3mm?？梢愿鶕?jù)調(diào)整頻點的需要，增加人造微結(jié)構(gòu)單元的嵌套層數(shù)或縮放人造微結(jié)構(gòu)的整體尺寸。本發(fā)明實現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的原理為，對于人造微結(jié)構(gòu)而言，可以等效為LC震蕩電路，銅線等效為電感L，線間電容、三角螺繞環(huán)之間的耦合電容等效電容C，通過仿真發(fā)現(xiàn)，在其他條件不改變的情況下，銅線越長，線間距越近，則等效電容值C越大。同理我們可以定性的判斷電感L的變化，銅線線長越長，電感L越大。本發(fā)明中人 造微結(jié)構(gòu)單元的銅線繞線圈數(shù)越多，其電感越大(存在互感)。由LC振蕩電路公式/o =可知，當(dāng)電感值增大時，其對應(yīng)的諧振頻率則降低?，F(xiàn)有技術(shù)是直接將圖I所示的“凹形”開口諧振環(huán)周期性陣列排布在基板上，制成超材料，超材料呈各項異性，本發(fā)明超材料的人造微結(jié)構(gòu)是如圖3、圖4所示的人造微結(jié)構(gòu)疊加組，不僅可以有效的降低超材料的諧振頻率，還可以實現(xiàn)超材料的各向同性。用CST對本發(fā)明實施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料進行仿真，仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)為，dl =
0.lmm, d2=V2 X O.'lmm，dl、d2如圖4、圖6所示，銅線線間距0. 1mm，銅線厚度0. 033mm,
，
基板3的厚度為0. 011mm、介電常數(shù)為16、損耗正切值為0. 005的陶瓷基板，保護層4為PP材料，厚度為0. 1mm，介電常數(shù)為4. 8，損耗正切值為0. 013，第一人造微結(jié)構(gòu)I和第二人造微結(jié)構(gòu)2的尺寸3mmX3mm，仿真結(jié)果示意圖參見圖6，由圖6可知，本發(fā)明超材料磁導(dǎo)率為-I的對應(yīng)頻率為I. 49GHz,降頻效果顯著，損耗較小，能實現(xiàn)超材料的各向同性，對于超材料工業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。根據(jù)本發(fā)明的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，可以制備一種MRI磁信號增強器件在MRI成像設(shè)備中，將MRI磁信號增強器件設(shè)置在待測部位與MRI成像設(shè)備的磁信號接收線圈之間，MRI磁信號增強器件即為本發(fā)明負(fù)磁導(dǎo)率超材料，本發(fā)明超材料在MRI成像設(shè)備的磁信號工作頻率下具有負(fù)磁導(dǎo)率，負(fù)磁導(dǎo)率超材料的諧振頻率能夠在磁信號工作頻段增強其信號強度，進而增強MRI成像設(shè)備的成像質(zhì)量，降低MRI成像設(shè)備的成本。具有良好的發(fā)展前景。本發(fā)明中的上述實施例僅作了示范性描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，包括至少一層具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料層，所述超材料層包括基板以及周期性陣列排布在基板兩側(cè)的多個第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一人造微結(jié)構(gòu)由四個呈環(huán)形陣列的第一人造微結(jié)構(gòu)單元組成，所述第二人造微結(jié)構(gòu)由四個呈環(huán)形陣列的第二人造微結(jié)構(gòu)單元組成，所述第一人造微結(jié)構(gòu)單元和第二人造微結(jié)構(gòu)單元是開口在一角的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)單元的位置與第一人造微結(jié)構(gòu)單元一一對應(yīng)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)單元的形狀為所述第一人造微結(jié)構(gòu)單元的形狀繞所述環(huán)形陣列的幾何中心旋轉(zhuǎn)180度得到的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)上覆有保護層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述保護層的厚度為0. 08-0. 12_。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述保護層的介電常數(shù)為4—8 o
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述保護層的損耗正切值為0. 010-0. 015。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述保護層為有機高分子材料或陶瓷材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述基板的厚度為0. 008-0. 015mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述基板的介電常數(shù)為14-20。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述基板的損耗正切值為0.003-0. 007。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的線寬為0. 1-0. 3mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的線間距為0. 05-0. 15mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的線厚度為0. 03-0. 05mm。
13.—種MRI磁信號增強器件，設(shè)置在待測部位與MRI成像設(shè)備的磁信號接收線圈之間，其特征在于，所述MRI磁信號增強器件為超材料，所述超材料在MRI成像設(shè)備的磁信號工作頻率下具有負(fù)磁導(dǎo)率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的MRI磁信號增強器件，其特征在于，所述超材料為權(quán)利要求I至12任一所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料及MRI磁信號增強器件，負(fù)磁導(dǎo)率超材料包括至少一層具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料層，超材料層包括基板以及周期性陣列排布在基板兩側(cè)的多個第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)，第一人造微結(jié)構(gòu)由四個呈環(huán)形陣列的第一人造微結(jié)構(gòu)單元組成，第二人造微結(jié)構(gòu)由四個呈環(huán)形陣列的第二人造微結(jié)構(gòu)單元組成，第一人造微結(jié)構(gòu)單元和第二人造微結(jié)構(gòu)單元是開口在一角的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，第二人造微結(jié)構(gòu)單元的位置與第一人造微結(jié)構(gòu)單元一一對應(yīng)，第二人造微結(jié)構(gòu)單元的形狀為第一人造微結(jié)構(gòu)單元的形狀繞環(huán)形陣列的幾何中心旋轉(zhuǎn)180度得到的形狀。本發(fā)明能有效降低超材料的諧振頻率。另外，本發(fā)明MRI磁信號增強器件中具有較大應(yīng)用。
文檔編號H01Q15/00GK102683872SQ20121011005
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者余銓強, 劉若鵬, 欒琳, 郭潔 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司