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文檔簡介
1、超材料的主要顯著特征是可以人為設計材料來實現(xiàn)在天然材料中不存在的電磁性能。大約有兩大類的超材料,即共振型和非共振型。共振型超材料包含左手(LH)超材料,可看作折射率小于1的超材料。在共振型超材料中,倏逝波的周期性太小而不能在兩個相鄰的金屬導體元件之間散射。因此,它不是一個倏逝波散射現(xiàn)象,因為倏逝波本身不是共振的,但是在倏逝波的傳播路徑中存在金屬元件。倏逝波沿途感應出振蕩電流,金屬元件變得自諧振,并輻射出很小的次級波。由導體元件產(chǎn)生的微小
2、次級波與施加的倏逝波相位相異,我們就可以得到某些有趣的響應。這會修改外加的倏逝波。經(jīng)改變的倏逝波的周期是原倏逝波的波長的十分之一,導致類似于發(fā)生在原子尺度上的共振。非共振型超材料包含各向異性超材料,即雙曲超材料。非共振超材料的結構周期則可以遠小于波長。對于非共振超材料,截止頻率是材料本身變得共振的頻率。與共振超材料相比,在非共振超材料中沒有電流振蕩,也不產(chǎn)生二次波。非共振超材料的性質取決于應用的電源技術。
設計超材料的主題是如
3、何獲得與組分材料不直接相關聯(lián)的性質,以及構造方法(即,金屬環(huán)、條,光子晶體等)。設計的構造不同,超材料的等效參數(shù)不同。非共振超材料的顯著特點是其在寬帶技術上的潛在應用。我們可以構造結構來修改施加的倏逝波,用于在非常高的頻率下工作的應用。此外,非共振超材料具有很強的結構容差性。然而,非共振超材料的缺點是它們不能實現(xiàn)很多神奇的特性,諸如左手材料,負折射率,零ε/μ超材料,這些都是共振超材料研究的重要組分。
為了為某些指定的應用設計
4、超材料,我們需要知道所需的介電和磁響應來尋找和加工材料。在每種材料中,電子云與擁有一定束縛電荷的核結合。在不施加電場的情況下,原子保持中性。一旦我們對材料施加電場,電子云被拉伸和移位,材料中的原子被極化,材料開始存儲電能。如果我們解除外加電場,那么電子云回復到它們的中性位置后,會像彈簧上的質量塊一樣來回振蕩。結果,振蕩的電子輻射出微小的二次波,與所施加的波異相疊加。這種效應是我們所說的材料的電介質響應。類似地,我們有材料的磁響應。這里,
5、電子運動受到限制,趨向于繞核運動,像圍繞太陽運行的行星一樣。我們知道環(huán)行的電荷在該環(huán)路的中心感應出磁場,后者可以等效為一個小的磁偶極子。如果我們對該磁偶極子施加磁場,則結果是該磁偶極子在所施加磁場的方向上自對準。這導致磁能存儲在該材料中。類似于電場,如果我們解除外加磁場,則對準的磁偶極子再次散開,沿不同方向傾斜,并變得諧振起來。此外,這些磁偶極子在回復后會來回振蕩,并且產(chǎn)生與所施加的磁場異相組合的次級波,產(chǎn)生整體減速響應,我們稱之為材料
6、的磁響應。
經(jīng)過以上關于材料的電介質響應和磁響應的討論,我們通過擬合洛倫茲振蕩模型來設計和制造超材料。該模型來源于電子的運動方程,以洛倫茲參數(shù)的形式描述材料的介電性質和磁性質。這些參數(shù)包括材料的等離子體頻率(開關頻率),用于描述信號(外加電磁波)損耗的阻尼因子,和諧振頻率(回復力)。利用這些參數(shù)繪圖,可以恢復材料的相對介電常數(shù)和磁導率的實部和虛部,用于分析其在工作頻率下所需諧振行為對應的洛侖茲響應??梢杂^察到,當倏逝波通過它時
7、,材料的回復力恢復了入射波的幅值。若忽略所速洛倫茲振蕩模型中的回復力,將導致材料中電子的自由運動,在等離子體頻率以下會得到非常負的介電常數(shù)。即,在材料中不存在回復力的情況下,其大虛部、強損耗將使得通過的倏逝波無法復原入射時的幅值。
在不對人體做任何手術探查的條件下,研究人類病理和獲得解剖圖像是可能的。這得益于磁共振成像(MRI)技術。MRI是表征人體生理和神經(jīng)化學的基石技術。在臨床試驗階段,人類疾病的研究和治療伴隨著對不同動物
8、的解剖學的醫(yī)學研究。通過對動物解剖模型采用不同的成像技術,我們能夠對模型不做任何手術探查而采集到額外的圖像。這促生了不同于手術侵入的非侵入式技術,并且開啟了更準確地研究人類病理的可能性。
MRI掃描儀的工作原理是,質子在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂,共振吸收特定頻率的射頻輻射。在拉莫爾頻率,原子的質子從基態(tài)受擾動并吸收能量。能量的吸收取決于MRI掃描器外部靜磁場(B0)的強度和旋磁比。質子的自旋被分解在兩個方向。其一為縱向
9、磁化,質子被靜態(tài)場(B0)極化,對應自旋焓(T1);其二為橫向磁化,橫向瞬態(tài)脈沖磁場(B1)會將質子自旋翻轉90°,后者在脈沖結束后逐漸弛豫到與靜磁場對齊的狀態(tài),并在MRI掃描線圈的接收器處產(chǎn)生弛豫信號,對應自旋熵(T2)。MRI掃描儀的成像能力根據(jù)其轉換速率,上升時間,平頂,視場,自旋包,回波間隔,回波時間,接收時間和GRE序列來評定和分析。
超材料的應用領域之一是MRI。理論和實驗證明超材料可以改善圖像分辨率、圖像采集時間
10、和人體內(nèi)部的圖像質量。人們設計出了用于MRI成像的超材料透鏡,利用的是諸如電容性負載裂環(huán)諧振器(CLSRR)、邊緣/寬邊耦合裂環(huán)諧振器(EC/BC-SRR)、磁感應(MI)波導、用于內(nèi)窺鏡檢查的金屬陣列特異材料。主要思想是增強體內(nèi)感興趣區(qū)域(ROI)的磁場強度和SNR。它取決于B1,后者主要由MRI系統(tǒng)的發(fā)射/接收MR線圈控制。B1擾動處于平衡態(tài)的ROI區(qū)的質子,并在接收端MR線圈得到圖像數(shù)據(jù)??茖W家曾引入過表面線圈/體線圈,諧振器和多
11、發(fā)射/接收天線陣列的復雜布置,以減少SAR(特定吸收率)與信號損耗并增加磁場的均勻性。但提出的這些想法設計復雜,對應的實現(xiàn)方案很昂貴。我們?yōu)镸RI掃描儀設計的超材料包含在以下的具體項目中:
(a)用于增強0.35-T MRI系統(tǒng)的圖像質量的緊湊/薄的超材料(MM)透鏡。透鏡結構基于厚度僅為2.5mm——對應于結構的邊長——的裂環(huán)諧振器(SRR)的三維陣列。除SRR,引入?yún)?shù)元件(電容,電感),實現(xiàn)了0.35-T MRI系統(tǒng)在1
12、4.88MHz這一非常低的工作頻率下所需的諧振。實現(xiàn)了人體內(nèi)磁場(B)和SNR(信噪比)的諧振增強和MR(磁共振)線圈效率的提高。
(b)用于1.5-T MRI系統(tǒng)中的零磁導率(μ=0)裂環(huán)共振型(SRR)磁反射超材料(MM),其可以扭曲和抑制均勻的RF(射頻)磁場。該設計由包含參數(shù)元件(電容,電感)的PCB(印刷電路板)組成并且附接有SRR,總厚度僅為5mm。當反射器在優(yōu)化位置與MRI掃描器一起使用時,將均勻地重新分布和增強
13、靜態(tài)磁場,同時通過改善體內(nèi)掃描區(qū)域處的SNR(信噪比)以保持低的特異吸收率(SAR)、低的電場和功率耗散,來防止人體組織的加熱并且顯著降低人體組織因吸收RF能量而導致的損傷效應。
(c)可用于增強1.5-T MRI系統(tǒng)圖像質量的緊湊/薄的寬邊耦合(BC)裂環(huán)諧振型(SRR)超材料(MM)透鏡。我們分析了兩個強耦合的BC-SRR銅陣列,它們連接在PCB(印刷電路板)上,并加載參數(shù)元件(電容和電感)。設計的重點是其緊湊的厚度,僅3
14、.2mm。它在不同工作頻率下的可調(diào)諧性則得益于參數(shù)元件。相比前人的工作,它對MR線圈的設計沒有限制。組合使用參數(shù)元件、銅環(huán)和SRR的技術,之前并沒有被用在如此低的工作頻率上。此外,設計的透鏡改善了BC-SRR陣列之間的互感,并且最終恢復了在所考慮區(qū)域處磁場(B)的幅度,提高了圖像質量。
(d)可用作雜化磁性超材料帽(HMMH)的多重圓雜化表面線圈的獨特組合。HMMH不僅加強了其繞軸線的射頻(RF)旋轉對稱性的均勻性,而且改善了
15、7-T MRI系統(tǒng)對鼠腦成像的信噪比(SNR)。我們分析了連接在圓線圈形印刷電路板(PCB)基板上的強耦合圓形銅線圈的周期性陣列。在該設計中,一些銅線圈受到裝載有參數(shù)元件(電容和電感)的槽腔的激發(fā)。此外,HMMH形式的線圈利用混合模式的優(yōu)點,通過同時激發(fā)兩個特征模式,能在ROI處產(chǎn)生出均勻磁場和增強的SNRc與單環(huán)RF線圈相比,其向感興趣區(qū)域(ROI)呈現(xiàn)更好和更深的RF靈敏度。
(e)用作可調(diào)諧雜化磁性超材料帽(THMMH)
16、的多重圓雜化表面銅線圈的獨特組合。在THMMH中,一些線圈受到裝載有參數(shù)元件(電容)的槽腔和正弦穩(wěn)態(tài)電流源(IS)并行合并器的激發(fā),后者由外部施加。我們介紹了IS的意義,即改變了納米尺度上的力平衡:通過將安培力引入設計的電路,改變了其光學性能,最終產(chǎn)生了可調(diào)諧、可重構的磁性超材料帽。此外,對于7-T MRI這一應用,我們進行了THMMH和不可調(diào)HMMH對鼠腦在300MHz成像的效率比較。我們觀察到THMMH不僅同樣加強了其繞軸的射頻(R
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