地面核磁共振找水儀放大器設計(一)

摘要：

根據(jù)水中氫核具有核子順磁性且其磁矩不為零的特點，利用一個裝置向地下發(fā)射一束具有拉莫爾頻率的電磁波，激發(fā)地下水中氫核，從而形成宏觀磁矩;撤除激發(fā)信號，接收該宏觀磁矩在復原過程中形成的核磁共振信號( NMR) ，由其初始振幅、弛豫時間和初始相位等便可計算出地下水的相應信息。NMR具有信號弱頻帶寬的特點。設計的NMR放大器選擇性好，檢測弱信號能力強，可靈活智能化調整，已成功應用到NMR找水儀科研樣機中，目前已可靠地測到了100 m深處的地下水。

1引言

利用核磁共振( nuclearm agnetic resonance， NMR)尋找地下水是目前世界上唯一的直接找水新方法。具有分辨力高、找水效率高、信息量豐富和解唯一的特點.在該方法的探測深度范圍內，有一定規(guī)模的自由水存在，就有核磁共振信號響應。反之就沒有響應。目前探測深度已可靠達到100m，我們研制的近期目標是達到150 m.從傳感器接收到的NMR信號在數(shù)nV到數(shù)百nV范圍，頻率1 kHz到3 kHz，干擾非常大。所以設計高性能NMR放大器對于提高該儀器檢測微弱信號的能力具有非常重要的意義。

2核磁共振找水原理

核磁共振是指當射頻激發(fā)磁場的頻率滿足一定條件時，原子核系統(tǒng)中的核子在穩(wěn)定磁場(此處為地磁場B0)和人工激發(fā)場B1的共同作用下，吸收人工激發(fā)場的能量產生共振躍遷.理論上，應用NMR技術的唯一條件是所研究物質的原子核磁矩不為零.水中氫核具有核子順磁性，其磁矩不為零。氫核是地層中具有核子順磁性物質中豐度最高、旋磁比γ最大的核子。在穩(wěn)定的地磁場B0作用下，氫核像陀螺一樣繞地磁場方向旋進，其旋進頻率(稱為拉莫爾頻率)f0與地磁場強度B0、旋磁比γ關系為式(1)。其中γ為一常數(shù).

如果以具有拉莫爾頻率f0的交變磁場B1(f0 )對地下水中的質子進行激發(fā)，即可產生核磁共振現(xiàn)象。如圖1所示。

在NMR方法中，通常向鋪在地面上的線圈(作為發(fā)射及接收線圈，如圖2所示)中供入頻率為拉莫爾頻率、包絡為矩形的交變電流脈沖(如圖3(a)所示)。在周圍形成交變磁場，激發(fā)周圍水中的氫核形成宏觀磁矩M0 ，該磁矩在地磁場中產生拉莫爾頻率旋進運動，如圖1所示。在切斷激發(fā)電流脈沖后，用同一線圈拾取由M0衰落過程中產生的NMR信號(如3(b)所示)。

用q=I0τ表示電流脈沖矩，其中τ為發(fā)射矩形電流脈沖持續(xù)時間，如圖3(a)所示。q由小到大可使探測深度由淺變深;E0為NMR信號的初始振幅，它的大小反映所對應深度的含水層的含水量; T*2為NMR信號的自旋-自旋弛豫時間，其大小反映含水巖層平均孔隙度的大小;Φ0為NMR信號與激發(fā)電流之間的相位差，它反映地下巖層的導電性情況.

核磁共振找水儀由電源、發(fā)射與接收等部分組成，如圖4所示.

在計算機控制下，由單片機和DDS等產生如圖3(a)所示的拉莫爾激發(fā)信號，功率驅動電路將這個信號調制為發(fā)射所需的電流，經開關及鋪設于地面的電纜發(fā)射出激發(fā)電磁場。停止激發(fā)后，由快速開關控制電路將電纜轉接到放大器輸入端。放大器將接收到的NMR信號進行模擬調理后輸出給數(shù)據(jù)采集與處理電路，經數(shù)據(jù)解釋成為檢測到的地下水信息。