CN102749656A - 可实现动态核极化功能的质子磁力仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可实现动态核极化功能的质子磁力仪。由静态极化电路经质子磁力仪探头和单刀双掷开关与电容配谐接通时为质子磁力仪；控制器经高频激发器与动态核极化探头的高频激发线圈连接，控制器经直流极化电路与动态核极化探头的低频激发线圈连接，并同时经单刀双掷开关与电容配谐连接时为动态核极化质子磁力仪。改进的质子磁力仪精度为0.1nT和灵敏度为0.01nT，具有OVERHAUSER磁力仪高精度、高灵敏度特点；极化电流12mA，高频激发器输出功率2W，大幅降低了系统功耗；既能静态极化测量，又能动态极化测量，实现了两种仪器的功能；与生产OVERHAUSER磁力仪相比节约了大量成本。若将现有的质子磁力仪全部摒弃，全部更新为OVERHAUSER磁力仪，在设备和技术资源上都将是严重的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及一种地球物理勘探仪器，尤其涉及质子磁力仪，具体地说，是一种能实现动态核极化的质子磁力仪。
背景技术
磁法勘探是地球物理探测的重要方法之一，在地面勘探、海洋勘探、地壳深部探测、空间探测、地震预报及军事研究等方面，都发挥了关键性的作用。同时也在科学研究、日常生活，生产学习中得到了广泛的应用。磁法勘探所得到的磁场强度、磁通密度、磁场梯度和磁异常等信息为上述领域的研究提供了有效的数据资料。
磁场测量仪器是磁法勘探用到的主要工具，其种类也是多种多样，测量精度和性能也在不断提高，包括磁通门磁力仪、质子磁力仪、OVERHAUSER磁力仪、光泵磁力仪、超导磁力仪以及原子磁力仪等。
在这其中质子磁力仪出现较早，信号检测技术已趋成熟，性能稳定，结构也相对简单，但存在灵敏度不高，功耗大，只能间断测量等不足之处。而OVERHAUSER磁力仪则是在质子磁力仪基础上研制出来的，其探头采用了动态核极化的方式，大大增强了信号的强度，在测量精度、灵敏度和系统功耗上有明显改善，且实现了连续测量。但国内OVERHAUSER磁力仪还处于研究阶段，还没有实现产品化，国外仪器价格较为昂贵，所以目前国内的磁测仪器产品多为质子磁力仪。
201010147845.5专利“一种OVERHAUSER磁力仪”介绍了一种可对弱磁场进行绝对测量的磁力仪，即OVERHAUSER质子磁力仪。其发明涉及的磁力仪由高频振荡器、探头、直流脉冲激发器、放大器、频率计和数控单元组成。2008年2期《仪表技术与传感器》“OVERHAUSER磁力仪初步设计”一文中介绍了基于OVERHAUSER效应的核子旋进磁力仪。2010年8月31卷8期《仪器仪表学报》“OVERHAAUSER磁力仪激发接收系统设计”一文中对OVERHAUSER磁力仪的激发接收系统进行了设计，其系统包含主控系统、可控射频功率信号源和微弱信号放大检波等电路。以上文献都只对OVERHAUSER磁力仪系统进行了介绍，而目前我国磁测仪器中质子磁力仪保有量很大，信号检测技术也已成熟，若将现有质子磁力仪仪器全部摒弃，全部更换为OVERHAUSER磁力仪在设备和技术资源上都是严重的浪费。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种既能实现质子磁力仪的功能，又能实现动态核极化功能的可实现动态核极化功能的质子磁力仪。
本发明是基于市场上现有的质子磁力仪的改进发明，使质子磁力仪能实现动态核极化，改进后的质子磁力仪具有OVERHAUSER磁力仪的高精度、高分辨率、低功耗及可连续测量的优点，即质子磁力仪的测量灵敏度和精度分别提高到0.01nT和0.1nT，功耗降低至质子磁力仪的1/4以及可实现连续测量。同时原有静态极化和质子探头不变，还保有质子磁力仪仪器功能，以适应不同工作环境的需要。
本发明中所述的OVERHAUSER磁力仪与动态核极化磁力仪是相同概念。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
可实现动态核极化功能的质子磁力仪，是在静态极化电路5经质子磁力仪探头6和单刀双掷开关1的S1端与电容配谐10接通时为质子磁力仪；控制器18经高频激发器8与动态核极化探头7的高频激发线圈19连接，控制器18经直流极化电路9与动态核极化探头7的低频接收线圈20连接，并同时经单刀双掷开关1的S2端与电容配谐10连接时为动态核极化质子磁力仪。
所述的高频激发器8是由高频电源22经压控振荡器23、甲类功放24和级间匹配25与丙类功放26连接，高频电源22与甲类功放24连接，高频电源22经丙类功放26和阻抗匹配27与高频激发线圈19连接构成。
所述的高频激发器8采用压控振荡器23作为信号源，后接两级放大，第一级为甲类功放24，第二级为丙类功放26，高频激发器8的输出连接至高频激发线圈19。
所述的直流极化电路9采用两级MOS管驱动，由控制器18控制其定时产生直流脉冲信号，直流极化电路9的输出连接至低频接收线圈20。
本发明是在现有的质子磁力仪探头部分2和质子磁力仪信号检测系统4的基础上，增加了装置部分3。所增加的装置部分3包括单刀双掷开关1、动态核极化探头7、高频激发器8和直流极化电路9共四部分。
动态核极化探头7由柱形容器和绕在容器外的两个线圈组成。样品溶液密封在柱形样品室21中，样品室21外的两个线圈一是高频激发线圈19，二是低频接收线圈20。其中高频激发线圈19与高频激发器8相连，低频接收线圈20与直流极化电路9、质子磁力仪信号检测系统4相连。
动态核极化探头7中部为圆柱形结构的样品室21，内装有富含自由基的溶液，容器外绕有高频激发线圈19和低频接收线圈20，样品室21放置在高频激发线圈19的内部，低频接收线圈20放置在高频激发线圈19的外部，使样品室21完全处于极化磁场中。高频激发线圈19引线与高频激发器8输出相连。低频接收线圈20为横向紧密缠绕的线圈，并将其固定成圆筒形，其引线与直流极化电路9输出端相连，并经单刀双掷开关1的S2连接到质子磁力仪信号检测系统4的输入端。配合原质子磁力仪信号检测系统4就实现了一种能够动态核极化功能的质子磁力仪。
单刀双掷开关1接通S1位置时，为质子磁力仪工作方式，静态极化电路5对质子磁力仪探头6进行极化，即静态极化工作方式。
单刀双掷开关1接通S2位置时，控制器18控制高频激发器8产生高频信号，持续作用动态核极化探头7，使其发生动态核极化，呈激发状态，控制器18控制直流极化电路9定时向动态核极化探头7通入直流脉冲，探头则输出拉莫尔信号，通过质子磁力仪信号检测系统4，对拉莫尔信号进行频率测量、存储和显示，此时为可实现动态核极化的质子磁力仪工作方式。
高频激发器8以压控振荡器23作为信号源，其输出连接第一级甲类功放24的输入，甲类功放24的输出经级间匹配25与第二级丙类功放26输入相连，丙类功放26的输出经阻抗匹配27连接到高频激发线圈19上。此高频激发器8能产生一个频率和输出幅值(功率)均可调的高频振荡信号。
直流极化电路9采用两级MOS管驱动，控制器18产生定时脉冲控制直流极化的开和关。
所述的质子磁力仪信号检测系统4既是为质子磁力仪的检测系统，也是动态核极化质子磁力仪的检测系统。所述的质子磁力仪信号检测系统4由电容配谐10，前置放大11，宽带放大12，带通滤波13，测频14，上位机15，储存器16，键盘显示器17，控制器18等模块组成，能完成感应拉莫尔信号的放大、测频、显示、存储等功能。本发明使用的目前市场上的质子磁力仪信号检测系统4能达到动态核极化质子磁力仪测量精度为0.1nT和测量灵敏度为0.01nT的测量要求。
有益效果：
(1)提高测量精度和灵敏度。增加的动态核极化探头配合激发装置能够输出高精度、高灵敏度的信号，质子磁力仪信号检测系统又能满足精度为0.1nT和灵敏度为0.01nT的测量要求。所以本发明改进的质子磁力仪就具有了OVERHAUSER磁力仪精度高、灵敏度高的特点。
(2)降低系统功耗，实现连续测量。由于探头采用了动态核极化的方式，所以在探头内溶液受到充分激发时，只需要一小强度的直流极化场就能得到高强度的拉莫尔信号，此时极化电流只有12mA，远小于质子旋进磁力仪1A以上的极化电流。增加的高频激发器输出功率只需2W。因此在提高信号强度的同时也大幅降低了系统功耗。
(3)实现了两种仪器的功能，由于设置了单刀双掷开关，当开关接通不同位置时，可分别作为质子磁力仪和OVERHAUSER磁力仪使用，在探头极化方式上既能完成静态极化，又能实现动态极化。因为这两种仪器处理的磁场信号相同，本发明充分利用了质子磁力仪信号检测系统，同时原有静态极化和质子探头不变，还保有质子磁力仪仪器功能，以适应不同工作环境。
(4)与生产OVERHAUSER磁力仪相比节约了仪器的成本。若将现有的质子磁力仪全部摒弃，全部更新为OVERHAUSER磁力仪在设备和技术资源上都将是严重的浪费。
附图说明
图1是可实现动态核极化功能的质子磁力仪系统框图
图2是附图1中动态核极化探头7的结构图
图3是附图1中高频激发器8的结构框图
图4是附图1中高频激发器8的电路图
图5是本附图1中直流极化电路9的电路图
图中：1单刀双掷开关，2质子磁力仪探头部分，3增加装置部分，4质子磁力仪信号检测系统，5静态极化电路，6质子磁力仪探头，7动态核极化探头，8高频激发器，9直流极化电路，10电容配谐，11前置放大，12宽带放大，13带通滤波，14测频，15上位机，16储存器，17键盘显示器，18控制器，19高频激发线圈，20低频接收线圈，21样品室，22高频电源，23压控振荡器，24甲类功放，25级间匹配，26丙类功放，27阻抗匹配。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
可实现动态核极化功能的质子磁力仪，静态极化电路5经质子磁力仪探头6和单刀双掷开关1的S1端与电容配谐10接通时为质子磁力仪；控制器18经高频激发器8与动态核极化探头7的高频激发线圈19连接，控制器18经直流极化电路9与动态核极化探头7的低频接收线圈20连接，并同时经单刀双掷开关1的S2端与电容配谐10连接时为动态核极化质子磁力仪。
所述的高频激发器8是由高频电源22经压控振荡器23、甲类功放24和级间匹配25与丙类功放26连接，高频电源22与甲类功放24连接，高频电源22经丙类功放26和阻抗匹配27与高频激发线圈19连接构成。
所述的高频激发器8采用压控振荡器23作为信号源，后接两级放大，第一级为甲类功放24，第二级为丙类功放26，高频激发器8的输出连接至高频激发线圈19。
所述的直流极化电路9采用两级MOS管驱动，由控制器18控制其定时产生直流脉冲信号，直流极化电路9的输出连接至低频接收线圈20。
如图1所示，本发明是在现有的质子磁力仪探头部分2和质子磁力仪信号检测系统4的基础上，增加了装置部分3。所增加的装置部分3包括单刀双掷开关1、动态核极化探头7、高频激发器8和直流极化电路9共四部分。
当单刀双掷开关1的S1端与质子磁力仪信号检测系统4接通时，作为质子磁力仪工作方式使用。当单刀双掷开关1的S2端与质子磁力仪信号检测系统4接通时，为动态核极化质子磁力仪工作方式。此时控制器18控制高频激发器8产生持续高频信号以及直流极化电路9定时产生直流脉冲，动态核极化探头7受到激发后产生动态核极化，直流脉冲过后，动态核极化探头7便会产生拉莫尔旋进信号，信号接入质子磁力仪信号检测系统4，通过精确地测得拉莫尔信号的频率即可得到磁场强度值的大小。
图2中，动态核极化探头7中部为圆柱形结构的样品室21，内盛有富含自由基的溶液，容器外绕有高频激发线圈19和低频接收线圈20，样品室21放置在高频激发线圈19的内部，低频接收线圈20放置在高频激发线圈19的外部，使样品室21完全处于极化磁场中。高频激发线圈19引线与高频激发器8输出相连。低频接收线圈20为横向紧密缠绕的线圈，并将其固定成圆筒形，其引线与直流极化电路9输出端相连，并经单刀双掷开关1的S2连接到质子磁力仪信号检测系统4的输入端。
图3中，所述的高频激发器8是由高频电源22经压控振荡器23、甲类功放24和级间匹配25与丙类功放26连接，高频电源22与甲类功放24连接，高频电源22经丙类功放26和阻抗匹配27与高频激发线圈连接构成。
图4中，所述的高频激发器8的电路形式采用两级功率放大电路，电路的功率增益大于23dB，信号源采用压控振荡器23，输出频率为55MHz-65MHz，输出功率大于10dBm，压控灵敏度≤3MHz/V，第一级为甲类功放24，主要功能为电压放大。第二级为丙类功放26，主要完成功率放大。输出缓冲级放置了级间匹配25，目的为第二级提供稳定的推动电压。输出末级与负载探头之间为阻抗匹配27电路，将输出功率最大化传输到动态核极化探头7的高频激发线圈19上。此高频激发器8能产生一个频率和输出幅值(功率)均可调的高频振荡信号，以方便找到动态核极化探头7内溶液的最佳激发频率及功率。
图5中，直流极化电路9采用两级MOS管驱动，Q3为NPN管，Q4为PNP管，动态核极化探头7的低频接收线圈20的直流电阻RL=18Ω，所以低频接收线圈20中的极化电流I=VCC=[R8+(RL||R9)]=0.012A=12mA，向动态核极化探头7中的低频接收线圈20中通入一定时间的直流脉冲，低频接收线圈20中心产生极化磁场，溶液中核子磁矩按极化场定向排列，形成宏观磁矩。由于受到动态核极化的作用，核子极化度大大增强，所以只需一小强度的极化场，便可得到高强度的旋进信号。
Claims (4)
1.一种可实现动态核极化功能的质子磁力仪，是由电容配谐(10)经前置放大(11)、宽带放大(12)、带通滤波(13)、测频(14)和控制器(18)与键盘显示器(17)连接，电容配谐(10)、带通滤波(13)、上位机(15)和储存器(16)分别与控制器(18)连接组成，其特征在于：静态极化电路(5)经质子磁力仪探头(6)和单刀双掷开关(1)的S1端与电容配谐(10)接通时为质子磁力仪；控制器(18)经高频激发器(8)与动态核极化探头(7)的高频激发线圈(19)连接，控制器(18)经直流极化电路(9)与动态核极化探头(7)的低频接收线圈(20)连接，并同时经单刀双掷开关(1)的S2端与电容配谐(10)连接时为动态核极化质子磁力仪。
2.按照权利要求1所述的可实现动态核极化功能的质子磁力仪，其特征在于：所述的高频激发器(8)是由高频电源(22)经压控振荡器(23)、甲类功放(24)和级间匹配(25)与丙类功放(26)连接，高频电源(22)与甲类功放(24)连接，高频电源(22)经丙类功放(26)和阻抗匹配(27)与高频激发线圈(19)连接构成。
3.按照权利要求1或2所述的可实现动态核极化功能的质子磁力仪，其特征在于：所述的高频激发器(8)采用压控振荡器(23)作为信号源，后接两级放大，第一级为甲类功放(24)，第二级为丙类功放(26)，高频激发器(8)的输出连接至高频激发线圈(19)。
4.按照权利要求1所述的可实现动态核极化功能的质子磁力仪，其特征在于：所述的直流极化电路(9)采用两级MOS管驱动，由控制器(18)控制其定时产生直流脉冲信号，直流极化电路(9)的输出连接至低频接收线圈(20)。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121024 |