Development of a uniform magnetic field generator for magnetic resonance applications

Abstract

Bu tez çalışmasında, düzgün manyetik alanlar üretmek için olası yapıların araştırılması yapılmıştır. Girişte, düzgün manyetik alan üretimi literatürünün genel bir resmi verilmiştir. İkinci bölümde, düzgün manyetik alan üretimi için öne çıkan birkaç farklı aday yapı üzerinde durulmuş, akabinde sonlu eleman analizlerimize ve analitik sonuçlarımıza bağlı olarak, sferoid helezonik sargı adını verdiğimiz, üretilebilecek nihai bir yapı önerilmiştir. Hesaplamalardan elde edilen sonuçlar, tüm iç hacmin %75'inde en az 20 ppm'lik ve %90'ında ise 50 ppm'lik bir manyetik düzgünlüğün elde edilebilir olduğunu göstermiştir. Tezimizin son bölümünde ise, bu yapının üretimi üzerinde durulmuştur. Hava çekirdekli sferoid sargının üretilmesine yönelik, türettiğimiz formül kullanılarak bir bilgisayar destekli tasarım (CAD) çalışması gerçekleştirilmiş; rafta hazır ticari ve uygun fiyatlı bir 3B masaüstü yazıcı kullanarak bir sarım kalıbı üretilmiştir. Böylece geleneksel üretim teknikleri ile neredeyse imkânsız olan sargı bu 3B baskılı kalıp kullanarak gerçekleştirilebilmiştir. Sargı bir akım kaynağı tarafından sürülmüş ve içerisindeki manyetik alan, kalıp üzerinde hususi olarak bırakılmış deliklerden bir Hall probu vasıtasıyla ölçülmüştür. Ölçümlerimiz son derece düzgün bir alan gösteren sonlu elemanlar sonuçlarıyla iyi bir uyum içinde olmuştur. Küçük hacimlerde alınan alanın ortalama değerlerinin, küçük hatalara rağmen tüm iç hacimde neredeyse aynı olduğu gözlemlenmiştir.In this thesis work, we have investigated possible structures for generating uniform magnetic fields. As an introduction, we gave an overall picture of the uniform magnetic field generation literature. In the second part, we worked on several different candidate structures for uniform magnetic field generation. Based on our finite element analysis and analytical results, we proposed a final structure to be manufactured, which we called a spheroidal helical coil. Our results from calculations suggested that, uniformity of at least 20 ppm within 75% of whole spheroidal volume and 50 ppm uniformity within 90% of it are in fact achievable. In the final part of our thesis, we focused on the production of such a structure. For that, a computer aided design (CAD) of an air-cored spheroidal coil was performed a priori using our formulation and a coil template was produced, employing a commercial off the shelf, affordable, 3D desktop printer. Inasmuch as it was virtually impossible via conventional production techniques, and the coil was finalized using this 3D printed template. The coil was driven by a current source and the magnetic field created inside was measured using a Hall probe through holes which had been intentionally left on the template. Our measurements agree with the finite element results and showed a magnetic field uniformity therein. It was observed that average values of the magnetic field taken in a small volume were almost the same throughout the whole internal volume in spite of minor errors.