[发明专利]便携式核磁共振分析传感器及便携式磁共振分析仪

说明书

本发明提供一种便携式核磁共振分析传感器，包括：外磁环，包括由多个第一磁体组成的第一魔环，所述多个第一磁体的充磁方向沿第一圆周方向逐个变化；内磁环，位于所述外磁环的内侧，包括由多个第二磁体围成的第二魔环，所述多个第二磁体的充磁方向沿第二圆周方向逐个变化，且第二磁体的轴向高度小于第一磁体的轴向高度；调节磁体组，分布在所述外磁环的内侧，包括由至少两个第三磁体组成的第三魔环，所述至少两个第三磁体的充磁方向沿第二圆周方向逐个变化。本发明还提供一种便携式磁共振分析仪，本发明在显著降低磁体重量的基础上，增大了探测敏感区域的体积，提高了仪器的信噪比；具静磁场调节方便自由、精确度极高。

技术领域

本发明涉及利用核磁共振分析岩心岩屑等孔隙介质的岩石物理性质的一种便携式传感器与仪器，尤其涉及一种便携式核磁共振分析传感器及便携式磁共振分析仪。

背景技术

核磁共振分析仪器利用核磁共振原理探测赋存在地层岩石孔隙中的流体信号，得到岩层流体中的氢核密度、弛豫和扩散特性，并将核磁共振信号直接或间接转换为孔隙和流体关键信息，包括：孔隙度、孔隙大小分布、流体类型与含量、流体流动性等，这些信息对于油气储量评估以及开发方案的决策具有重要意义。核磁共振仪器凭借其快速、准确、无损、绿色的优点，在油气工业领域和其他民用领域越来越受到重视。

核磁共振分析仪主要由传感器、电子系统组成。传感器负责：提供产生核磁共振现象的场所和条件、激发并接收核磁共振信号。主要包括磁体阵列和天线，磁体用于产生静磁场令对样品中的氢核发生极化能级分裂；天线用于发射射频脉冲激发被静磁场极化的氢原子产生核磁共振现象，同时还用于接收和采集核磁共振信号。电子系统负责：为激发核磁共振现象提供电子控制信号、大功率射频脉冲序列、微弱信号采集和放大采样以及数据处理。主要包括：射频模块、脉冲序列模块、控制处理模块和数据处理模块。

低场核磁共振传感器通常采用永久磁体制成。永久磁体材料的密度与铁相当，是核磁共振分析仪重量的主要来源。目前，为了能产生更强的磁场强度和更高的均匀性，核磁共振磁体的体积不断变大。在磁体优化过程中，当仪器灵敏度和波谱分辨率作为关键参数而需要最大化时，磁体的体积就会快速增加。通常，核磁共振的大型磁体安装在核磁共振专用实验室中，必须将样品带来进行分析。然而，在许多应用场合中，样品必须在现场进行测量以提高测量的时效性和原位性。例如在沙漠或海上，由于样品体积或者出于交通等原因，被研究样品不能被运输至实验室；例如冻土样品，样品制备或生产出来必须马上采集核磁共振信息而不能延迟。这些都为便携式的核磁共振仪器提出了具体需求。

用于岩石岩屑等孔隙介质分析的核磁共振传感器一般采用封闭型磁体结构，被测样品位于磁体阵列的内部，以产生较强较均匀的静磁场，提高信噪比。封闭型磁体结构又主要分为C型磁体和Halbach型磁体两类。这类磁体结构在减小磁体体积以获得移动性的同时，很难在较大工作区域内控制磁场的均匀性。

例如，中国专利2004100306884(适于便携式核磁共振装置使用的永磁体)、201510493004.2(磁共振分析用永磁体装置)、2010102001316(可移动式低场核磁共振成像系统)均公开了基于C型磁体的磁体结构。采用缩小磁体的方案，实现仪器的轻量化。C型磁体体积的缩小必然带来磁体两极间的气隙距离减小，射频天线也要相应的缩小，导致灵敏度随之降低。这几项专利中的C型磁体结构的优点在于产生的磁场较为均匀，但不足在于(1)材料利用率低，样品区域较小。因为除了产生磁场的磁极之外，还需要大量的轭铁包围在磁极的四周，帮助引导磁路，提供机械支撑。C型磁体的中心磁场强度和敏感区大小主要受磁极体积(直径、厚度)和气隙控制。想要获得较高的磁场强度，需要增大磁极直径、厚度。想要获得较大的敏感区，就需要增大气隙。但由于轭铁围绕在磁极四周，磁极的较小变化将带来轭铁体积和重量的成倍变化，导致磁体重量快速增加，且并轭铁对磁场强度产生直接贡献有限，重量和孔径(可测样品体积)比不高。当需要测量大体积样品、并需要中度均匀性时，除了打开磁体间隔牺牲场强之外，没有其他替代方法。