Microcoil - Википедия - Microcoil

Трехмерная печать электромагнитной катушки с использованием проводящей смеси полилактид и углеродные нанотрубки.[1]
Микрокатушки производства гальваника медь на Спирулина бактерии.[2]

А микрокатушка крошечный электрический проводник например, проволока в форме спирали или спирали, которая может быть соленоидом или плоской структурой. Одно поле, где они находятся, это ядерный магнитный резонанс (ЯМР) спектроскопия, при которой определяется радиочастота (РФ ) катушки которые меньше 1 мм.[3]

Микрокатушки также нашли применение в телеметрических системах, где плоские микрокатушки используются для подачи энергии на миниатюрные имплантаты.[4]

Пределы обнаружения Micro-MRI или MRM можно расширить, воспользовавшись преимуществами технологий изготовления микросистем. Как правило, катушка РЧ-приемника должна точно соответствовать образцу, чтобы обеспечить хорошую чувствительность обнаружения. Правильно спроектированный зонд ЯМР максимизирует как фактор наблюдения, который представляет собой отношение объема пробы, наблюдаемого РЧ-катушкой, к общему объему пробы, необходимого для анализа, так и коэффициент заполнения, отношение объема пробы, наблюдаемое прибором. РЧ катушка к объему катушки.[5]

Таким образом, миниатюризация ЯМР-зондов имеет два преимущества:

  1. Повышенная чувствительность, без которой анализ соединений с такой низкой концентрацией был бы невозможен, и
  2. Увеличение коэффициента заполнения путем согласования зонда с объемом пробы.[6] Тем не менее, получение ЯМР-спектров образцов, имеющих все меньшие и меньшие объемы, представляет собой реальную проблему. Либо такое уменьшение объема продиктовано трудностями производства достаточно больших образцов, либо необходимостью миниатюризации анализирующей системы, в обоих случаях требуется тщательная конструкция радиочастотных катушек, обеспечивающая оптимальный прием сигнала ЯМР.[7]

В области квантовые науки, микрокатушки играют все более важную роль для управления быстрым спином в устройствах нанометрового масштаба, например, в качестве многокубитных регистров спина и квантовой памяти, или для активации одиночных ядерных спинов, например вокруг Азотно-вакансионный центр.[8] В отличие от традиционного ЯМР, здесь микрокатушки используются только в качестве исполнительного механизма. Сигнал ядерного спина детектируется с помощью оптического считывания одиночного электронного спина.

Типы микрокатушек

Три типа микрокатушек, которые обычно используются в ЯМР:

Соленоидные микрокатушки

Это классическая геометрия для создания магнитного поля с помощью электрического тока. Даже для ограниченного числа обмоток такая геометрия обеспечивает приемлемую однородность B1 поле и хороший коэффициент заполнения возможны при намотке катушки непосредственно на держатель, содержащий образец. Миниатюризация до масштаба нескольких сотен микрометров (мкм) не очень сложна, хотя диаметр проволоки (обычно от 20 до 50 мкм) становится очень маленьким, а отдельно стоящая катушка является очень хрупким объектом.[9]Уменьшение диаметра до менее 100 мкм возможно, но обработка таких катушек и обращение с ними будут довольно утомительными. По этой причине следует применять другие технологии изготовления микросистем, такие как объемная микрообработка, LIGA и микролитье под давлением.[6]Для соленоидных катушек добавление большего количества витков к катушке повысит B1/ i и, следовательно, индуктивность и отклик сигнала. В то же время сопротивление катушки будет линейно увеличиваться, поэтому улучшение чувствительности будет пропорционально квадратному корню из числа витков (n). В то же время у нас будет больший омический нагрев в центре катушки и повышенная опасность возникновения дуги, поэтому оптимум обычно находится только для ограниченного числа витков. Помимо радиочастотных характеристик, важным фактором в конструкции наконечников пробников с микрокатушкой являются искажения статического поля из-за эффектов восприимчивости.

Планарные микрокатушки

Это наиболее распространенная используемая геометрия, основанная на спиральной конструкции с центральной обмоткой, контактирующей с внешней стороной с помощью соединения с другим слоем, который электрически изолирован тонким оксидным слоем. В этой конфигурации ось РЧ катушки будет ориентирована перпендикулярно внешнему статическому полю B.0.

Седловые микрокатушки

Седловидная катушка демонстрирует наиболее сложную геометрию из этих трех типов катушек.1 поле создается в основном четырьмя вертикальными сегментами проводов. Из-за такой геометрии катушки B1 Поле седловой катушки более однородно по оси z, чем у плоской катушки. Седловая катушка может быть изготовлена ​​из проволоки, но ее также часто травят из тонкой медной фольги, которую затем приклеивают к стеклянной или PTFE трубке. Последняя процедура приводит к высокой геометрической точности, что приводит к лучшему B1 однородность. Седловая катушка легко доступна и обеспечивает хороший «коэффициент заполнения» полезной площади в отверстии магнита. По этим причинам он широко используется в ЯМР-микроскопии. Однако эти преимущества достигаются ценой снижения чувствительности. По сравнению с седельной катушкой, чувствительность соленоидной катушки тех же размеров примерно в три раза лучше.[10]

Рекомендации

  1. ^ Го, Шуан-Чжуан; Ян, Сюэлу; Хёзей, Мари-Клод; Террио, Даниэль (2015). «3D-печать многофункционального спирального датчика жидкости из нанокомпозита». Наномасштаб. 7 (15): 6451–6. Bibcode:2015Nanos ... 7.6451G. Дои:10.1039 / C5NR00278H. PMID  25793923.
  2. ^ Камата, Каори; Пяо, Чжэньцзы; Сузуки, Соичиро; Фухимори, Такахиро; Таджири, Ватару; Нагаи, Кейджи; Иёда, Томокадзу; Ямада, Ацуши; Хаякава, Тошиаки; Ишивара, Мицутеру; Хорагути, Сатоши; Страховка, Амха; Танака, Такуо; Такано, Кейсуке; Хангё, Масанори (2014). "Металлические микрокатушки на основе спирулины с контролируемой спиральной структурой для электромагнитных откликов ТГц диапазона". Научные отчеты. 4: 4919. Bibcode:2014НатСР ... 4Э4919К. Дои:10.1038 / srep04919. ЧВК  4017220. PMID  24815190.
  3. ^ Уэбб, А.Г. (2013). «Радиочастотные микрокатушки для магнитно-резонансной томографии и спектроскопии». Журнал магнитного резонанса. 229: 55–66. Bibcode:2013JMagR.229 ... 55 Вт. Дои:10.1016 / j.jmr.2012.10.004. PMID  23142002.
  4. ^ Neagu, C.R .; Jansen, H.V .; Smith, A .; Gardeniers, J.G.E .; Элвенспук, М. (1997). «Характеристика планарной микропатки для имплантируемых микросистем». Датчики и исполнительные механизмы A: физические. 62 (1–3): 599–611. Дои:10.1016 / S0924-4247 (97) 01601-4.
  5. ^ Boero, G .; Bouterfas, M .; Массин, Ц .; Винсент, Ф .; Besse, P.-A .; Popovic, R. S .; Швайгер, А. (2003). «Зонд электронного спинового резонанса на основе планарной микрокатушки 100 мкм». Обзор научных инструментов. 74 (11): 4794. Bibcode:2003RScI ... 74.4794B. Дои:10.1063/1.1621064.
  6. ^ а б Klein, Mona JK; Оно, Такахито; Эсаши, Масаёши; Корвинк, Ян Г. (2008). «Процесс изготовления полых электромагнитных катушек из боросиликатного стекла». Журнал микромеханики и микротехники. 18 (7): 075002. Bibcode:2008JMiMi..18g5002K. Дои:10.1088/0960-1317/18/7/075002.
  7. ^ Бехруз, Фатех (2006) Моделирование, имитация и оптимизация микрокатушки для визуализации МРТ-клеток, Магистерская работа, Фрайбургский университет, Германия
  8. ^ Херб, Константин; Зопс, Джонатан; Куджиа, Кристиан; Деген, Кристиан (2020). «Широкополосный радиочастотный передатчик для управления быстрым ядерным вращением». Обзор научных инструментов. 91 (11): 113106. Дои:10.1063/5.0013776.
  9. ^ Bentum, P.J .; Janssen, J. W .; Кентгенс, А. П. (2004). «На пути к ядерной магниторезонансной микроспектроскопии и микровизуализации». Аналитик. 129 (9): 793–803. Bibcode:2004Ана ... 129..793Б. Дои:10.1039 / b404497p. HDL:2066/60304. PMID  15343393.
  10. ^ Хаазе, А., Одой, Ф., Фон Кинлин, М., Варнкинг, Дж., Фидлер, Ф., Вайссер, А., Ниттка, М., Роммель, Э., Ланц, Т., Калуше, Б. и Грисволд, М. (2000). «Зондовые головки ЯМР для приложений in vivo». Концепции магнитного резонанса. 12 (6): 361–388. Дои:10.1002 / 1099-0534 (2000) 12: 6 <361 :: AID-CMR1> 3.0.CO; 2-L.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)