摘要：单边核磁共振传感器的特点在于具有开放性的结构，而且造价相对较低，体积较小，在大型样品的现场无损试验当中特别合适，应用前景非常广阔，本文具体分析研究某单边核磁共振传感器，并且阐述其应用，以供参考。
关键词：单边核磁共振传感器；应用；研究
1单边核磁共振传感器研究
1.1 磁体结构
本文所述的单边核磁共振传感器结构如下图所示，主要组成部分为匀场极靴两块以及长方形磁棒5块，在此过程中永磁体磁棒使用的主要材料为Nd-Fe-B，可以对5个永磁体单位的磁化方向和相对位置进行调节，并且控制匀场极靴的厚度对图中虚框目标区域当中的瓷体均匀性进行优化。
图1 单边核磁共振传感器
1.2 RF 线圈设计
在核磁共振系统当中进行射频激励和接收过程中，射频线圈是非常重要的组成部分，对NMR信号的质量有直接影响，为了保证RF线圈具有较高的性价比。在设计的过程中对射频线电流的线圈集肤效应进行充分的考虑，进一步优化了平面螺旋线圈。在优化的过程中主要分成两个部分，首先对线圈的线框、匝数、布线、面积等进行了优化，并且以射频磁场在目标面的平台分布优化为基础，对线圈的基本结构进行了确认，通过有限元分析软件对上述步骤当中获得的线圈交流电阻进行计算，并且进一步控制信噪比，选择性噪比最高的线圈，具体的线圈分布情况如下图所示。
图2(a)目标面处 RF线圈B1场分布图 (b)RF线圈实物图
对该线圈进行分析，在10×10的目标面处射频磁场如下图所示，其结构为双层矩形螺旋线圈结构，匝数达到了10圈在两毫米厚的电路板两面均匀分布，每面分布着5匝线圈，具体的实物图如下所示。
本文所述的单边核磁共振磁体，在水平方向上磁场均匀的分布，在垂直方向上磁体表面方向上的静态梯度恒定。这样的磁场分数较为特殊，可以在实体在垂直方向上的一维分层测量得以实现，也就是在高度不同的区域的静态磁场强度不同，依照拉莫公式可以与不同的射频频率相对应，如果通过硬脉冲激励被测样品，可以利用傅立叶变换对回波信号进行计算，接着在频域当中进行滤波，利用带通滤波器的中心频率和带宽的调节可以获得相应厚度高度当中样品的数据信号，另外因为单边磁场具有不均匀分布的特点，所以通过CPMG脉冲序列对样品进行激励，可以获得样品相应的横向弛豫衰减曲线。
图3 单边核磁共振传感器实物图
本文具体分析单边 NMR传感器在y方向均匀区中心位置，其共振频率达到了5.8兆赫兹，而射频线圈当中的品质因数达到了39。尤其需要注意的是单边 NMR的品质因数，通常条件下不会太高，主要是因为静态磁场不均匀而造成的，如果具有较高的品质因数，激励的样品太少，无法获得较强的回波信号，通过对品质因数和频率进行分析，可以发现磁场当中垂直方向的梯度为4.6t/m，而射频线圈当中输出屏的宽度达到了148.7k赫兹，所以在测量的过程中会同时对759.1微米厚度的样品进行激励，无法在纵深方向进行分层测量一维精度数据，因此需要对CPMG回波信号进行带通滤波处理和傅立叶变换，接着对带通滤波器的带宽进行调节，可以对特定厚度样品的CPMG信号进行获取，从而获得相应的t2信息。
表 1 液体测量实验 CPMG 序列参数设置
2单边核磁共振传感器的应用
2.1液体扩散系数测量
这里主要通过单边核磁共振传感器，初步实验液体的扩散情况，本文主要通过SGSE-CPMG脉冲序列获得的测量回波数据，通过下面的公式进行拟合，就可以将液体的自扩散系数d计算出来。
在此次研究过程中主要对测量对比水和汽轮机油的自扩散系数具体的数据参数设置如（表1）所示。
对实验测量数据和其对应拟合曲线做出归一处理之后，具体的数据对比情况如（图4）所示
分析拟合曲线可以发现单边核磁共振技术能够对水和油的扩散行为进行明显的区分，在石油勘测的过程中该项设备在检测水和油成分方面具有非常重要的意义。
单边核磁共振技术还可以在植物研究和农业方面取得相应的应用，下面对叶片的干燥程度进行相应的无损测量，对一棵树上三片干燥程度不同的树叶进行取样，作为测量对象分析其图谱t2。图谱的分布情况如图5所示。
图4 水和油样品的扩散特性曲线
图5 不同叶片的T2谱对比
具体分析图中数据可以发现叶片样品慢慢干燥之后，其t2谱当中长t2的部分会逐步向左方移动，然而短t2的部分没有出现明显的规律，与实验当中对三片干枯程度不同的树叶的等效横向弛豫时间进行判断。1号叶片达到了69.96毫米，2号叶片达到了57.8毫秒，3号叶片达到了4.66毫秒。进行分析之后发现叶片当中水分出现的状态主要为束缚水和自由水，自由水主要在细胞和导管之间分布，而束缚水主要是在细胞壁当中存在。在叶片慢慢干枯之后，自由水由于蒸发而逐步减少，而束缚水的损失量不大，从饱满状态到干枯状态，叶片组织当中的束缚水和自由水所占的比例各不相同，这就造成横向弛豫时间t2出现一定的区别。自由水在饱满叶片当中占到了主导部分，所以其横向弛豫时间t2值较大，而在干枯叶片当中占到主要部分的水分是束缚水，所以其横向弛豫时间t2相对较小。
对叶片的情况进行测量分析，可以发现单边核磁共振技术能够将植物组织当中束缚水和自由水所占比例和含量的问题进行测算，可以在农业方面得到广泛的应用，具有较好的应用前景。
结束语
本文主要分析研究一种磁场均匀度较高的单边磁磁共振传感器，并且分析研究核磁共振信号的反应和滤波处理，并且阐述该传感器所能够进行的一些应用，主要包含了水油扩散系数的计算以及叶片干燥程度的分析，通过相关数据分析发现，单边核磁共振技术可以广泛的应用于农业植物组织含水量的测定、液体成分的测定等。在实际操作的过程中具有较好的应用前景，然而本次实验在操作的过程中相对较为简单，实验内容较为粗浅，还需要进行进一步的深入分析和研究才能进行准确的定量分析。
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论文作者:杨清河,彭越峰,詹乐贵,左正琴
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/11
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