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3D打印结合铜电镀工艺实现NMR高性能线圈设计，通过仿真优化开发出变螺距倾斜螺线管，B1场强度提升24.3%，均匀性区域扩大11.5%，突破传统绕线技术限制。
Konstantin Drallios | Gemma Pham | Aidan Cuccaro | Mithun Karthikeyan | Terence Loke | Jonathan Tence | Thomas M. Osborn Popp
俄勒冈州立大学化学系，科瓦利斯，OR 97330，美国
摘要
射频（RF）线圈是核磁共振（NMR）性能的核心，然而线圈设计通常受到少数几种成熟几何形状的限制，这些形状可以使用现有方法可靠地制造。在这里，我们提出了一种实用的方法，通过立体光刻（SLA）3D打印 followed by 铜金属化来制造复杂的高性能RF线圈。两阶段的镀层工艺可以生产出机械强度高、铜涂层厚度超过多个RF皮肤深度的线圈，从而能够在固态NMR的魔角旋转（MAS）所需的高功率条件下运行。为了充分利用这种制造方法，我们开发了一个轻量级的、准静态的磁场建模程序，该程序可以直接在3D可打印的线圈几何形状上运行，并在打印和金属化之前对RF性能进行数值优化。作为演示，我们模拟并制造了一个用于MAS固态NMR的可变螺距倾斜螺旋线圈，其横向RF场强度比尺寸相似的传统固定螺距线圈提高了24.3%。空间分辨的进动成像进一步表明，这种设计将均匀激励区域扩展了11.5%。总体而言，这项工作将RF线圈的发展从适应标准线圈几何形状转向设计能够为苛刻和定制条件提供强而均匀RF场的线圈。
引言
核磁共振（NMR）实验的核心是射频（RF）线圈，它作为样品与光谱仪之间的接口。这个接口的质量决定了RF能量如何传递给样品以及从样品中传递出来，从而决定了核自旋可以被有效操纵和检测的程度[1]，[2]。线圈在激发过程中产生的横向磁场B 1 的幅度和空间均匀性强烈影响可获得的信噪比和自旋操纵的准确性[1]，[3]，[4]，[5]。通过精心控制线圈几何形状来塑造B 1 ，以创建与样品的最佳接口，使得线圈设计成为NMR性能的关键方面。
NMR线圈通常是通过将金属线缠绕成所需的形状来制造的。线缠绕是一种稳健且广泛可用的技术，但它将导体路径限制在可以通过连续弯曲形成的几何形状内；诸如突然转弯、非标准横截面轮廓或复杂的三维路径等功能通常需要大量的手动干预或专用工具。即使在精心加工或手工缠绕的线圈中，其几何形状最终也受到金属线最小弯曲半径和弹性回弹的限制。为了扩展可设计的空间，一些研究小组探索了替代方法，包括精密加工的金属线圈、印刷电路板谐振器、微制造导体以及使用牺牲性3D打印线圈形状形成的可变螺距螺旋线圈[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。尽管有这些进展，线缠绕的螺旋线圈和鞍形线圈仍然是NMR仪器中的主导架构，大多数线圈设计仍然反映了基于线的方法所固有的制造限制。
同时，NMR实验对RF场轮廓的要求越来越高，而现有的线圈制造方法难以实现这些要求。固态NMR在魔角旋转（MAS）下的应用就是一个明显的例子。标准固定螺距线圈在魔角倾斜时，其有效B 1 强度会损失约22.5%，并且它们的有限长度本质上限制了可实现的B 1 均匀性。已经提出了两种策略来缓解这些限制：(i) 可变螺距线圈，它可以改善线圈长度方向的场均匀性[12]，[13]，[14]；(ii) 倾斜螺旋线圈，其中每个环的法线始终垂直于主磁场B 0 ，而线圈轴线以54.74°的方向定向，从而恢复了标准线圈因倾斜而损失的B 1 强度[15]。然而，这些方法迄今为止只是独立实施的，没有一种在当前硬件中得到广泛应用。原则上，结合了可变螺距和倾斜螺旋几何形状的线圈可以为MAS实验提供显著改进的B 1 场，但由于设计和可重复制造这种结构的难度，其实施受到了限制，据我们所知，目前还没有这样的线圈被报道过。
更一般地说，许多理论上最优且高度复杂的线圈很少在实践中得到实现，因为不存在一种制造途径能够可靠地将计算机优化的3D几何形状转化为尺寸精度达到数十微米的导电元件。因此，NMR线圈设计仍然受限于一小部分实际可行的标准几何形状，而不是由模拟中可用的全部设计空间驱动，使得线圈几何形状不能被视为真正的设计变量。一种能够将数值优化的导体几何形状可靠地转化为具有微米级尺寸控制的物理结构的制造方法，不仅会扩大NMR线圈的设计空间[5]，[16]，而且为在性能受3D场分布控制的领域（包括磁共振成像、电子顺磁共振和频率选择性天线[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]）实现模拟驱动的RF组件提供了一条通用途径。
增材制造提供了直接制造复杂计算机优化线圈几何形状的机会。3D打印在NMR仪器中的使用越来越多，包括用于探头组件、定子和线圈成型器[10]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]，[34]。由导电聚合物复合材料或液态金属填充通道制成的线圈表明，3D打印的导电结构是可行的，但它们的性能仍然显著低于块状铜[35]，[36]。原则上，直接金属打印铜对于RF线圈很有吸引力，但目前的工艺通常会产生表面粗糙度、孔隙率和特征尺寸问题，这些问题难以与NMR线圈所需的小直径和紧密公差相协调[37]。相比之下，立体光刻（SLA）3D打印可以 reproducibly 生成亚50微米空间分辨率的平滑特征，覆盖厘米级的部件，但显然打印树脂是电绝缘的[38]。一些研究小组通过将微米厚的铜或银涂层通过无电镀沉积到聚合物部件上来实现这一点，以制造天线和微波组件[20]，[39]，[40]，[41]，[42]。在这些设备中，几微米的镀层厚度通常就足够了，因为在吉赫兹频率下RF皮肤深度很小，且工作功率适中。然而，对于NMR频率和固态NMR实验的高功率条件，通常需要更厚的铜层来减少电阻损耗和加热[43]，[44]，[45]，[46]，[47]。尽管如此，这些先前的结果表明，SLA 3D打印结合金属镀层可以为NMR及相关应用提供一条广泛可行的先进线圈几何形状的途径。
在这项工作中，我们介绍了一种基于模拟的RF线圈设计和制造方法，该方法结合了准静态磁场建模、立体光刻（SLA）3D打印和铜表面金属化。这种方法使典型实验室环境中的研究人员能够以高精度和可重复性制造数值优化的线圈几何形状。我们展示了金属化的3D打印RF线圈不仅完全适用于NMR实验，而且通过实现使用传统方法难以实现的复杂导体几何形状，其性能可以超过传统线缠绕线圈。线圈设计作为3D可打印模型生成，并使用自制的开源Python程序进行准静态B 1 场模拟和优化。然后，在台式SLA打印机上制造优化后的结构，并通过两阶段无电镀和电镀工艺将其转化为导电RF硬件，生成厚度可控的均匀铜涂层，范围从几十微米到几百微米。为了展示这种方法的能力，我们设计并制造了一个用于MAS固态NMR的可变螺距倾斜螺旋线圈，并将其性能与使用相同方法制造的对照线圈进行了基准测试。结果线圈的横向B 1 强度提高了25%，同时提供了比标准固定螺距线圈更大的均匀激励区域。尽管这些结果对MAS固态NMR有即时改进，但同样的方法也可以很容易地应用于溶液状态NMR[48]和其他需要场优化的RF技术。更广泛地说，这项工作为将理想化的、基于模拟的RF场设计转化为实际实验硬件建立了一条途径。
我们采用的3D打印线圈金属化制造方法是基于NMR探头中RF线圈的操作要求。由于皮肤效应，高频电流主要限制在导体表面，其特征皮肤深度δ 定义为RF电流密度衰减到其表面值的1/e的深度，这取决于工作频率和金属的导电性[49]。对于铜来说，在400 MHz时，δ 大约为3.3微米。
这里展示的结果说明了将数值线圈设计与增材制造的金属导体相结合如何实现使用传统制造方法难以实现的RF性能提升。通过消除线缠绕带来的许多几何限制，这种方法允许根据特定实验和样品体积的要求有意地塑造线圈几何形状。这项工作最直接的意义在于，标准RF线圈
除星形线圈外，所有部件都是在Autodesk Inventor 2026（Autodesk, Inc.，旧金山，CA，美国）中设计的；星形线圈是在Blender（blender.org
Konstantin Drallios： 写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析。Gemma Pham： 可视化，调查。Aidan Cuccaro： 可视化，软件。Mithun Karthikeyan： 软件。Terence Loke： 调查。Jonathan Tence： 调查。Thomas M. Osborn Popp： 写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
我们感谢Alexander Schectman在模拟星形螺旋线圈方面的帮助。我们还要感谢Peter Eschbach和Rebecca Jackson（俄勒冈州立大学的电子显微镜设施）在SEM成像方面的帮助。我们还要感谢Peter Gor'kov（国家高磁场实验室）的有益讨论。
