CN107917926A - 便携式核磁共振分析传感器及便携式磁共振分析仪 - Google Patents

Abstract

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所述第一圆周方向逐个变化，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，分布在所述外磁环或内磁环的内侧，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。

Description

便携式核磁共振分析传感器及便携式磁共振分析仪

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。

例如，中国专利201110357940.2(核磁共振分析仪和核磁共振测量方法)公开了一种的核磁共振分析仪器，采用基于离散化的Halbach结构的磁体阵列方案。在一定程度上改善了重量和孔径(可测样品体积)比。但不足之处在于：(1)误差难以避免，影响均匀性。设计能够实现均匀性磁场，但由于下列原因降低了均匀性：小磁体位置的微小误差；磁体材料元素的内在非均匀性；小磁体和固定盘的机械加工误差。这些因素都是在实现时无法完全避免，均匀性无法保证。(2)磁场强度提高代价大。单环Halbach结构的磁场强度主要有磁块内外直径和内直径的尺寸比例决定。对于标准岩心大小样品的探测区，其磁场都在0.25T以下。单环结构提高磁场强度有两种方式，一种是缩小半径，这样就缩小了敏感区直径即样品直径。二种是缩小磁块个数，后果是均匀性变差(磁块个数越大，磁场越均匀、磁场强度也越小)，而且磁体重量增加。这两个都是由单环Halbach的结构规律自身决定的。(3)纵向敏感区小。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术中核磁共振传感器的设计或因其磁体结构笨重不便于携带，或因难以调节导致其磁场均匀度较差从而使仪器信噪比较差，或因其受限于样品的位置或大小不能灵活测量；以及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的问题，本发明提供一种便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，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所述第一圆周方向逐个变化，且所述第二磁体的轴向高度小于所述第一磁体的轴向高度；调节磁体组，分布在所述外磁环或所述内磁环的内侧，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。

优选地，所述第一磁体包括沿所述第一魔环轴向分布的第一上磁体及第一下磁体；所述第一上磁体及第一下磁体之间具有第一间隙；所述第二磁体包括沿所述第二魔环轴向分布的第二上磁体及第二下磁体，所述第二上磁体及第二下磁体之间具有第二间隙，所述第二间隙大于所述第一间隙。

优选地，所述第一上磁体与所述第一下磁体关于所述第一间隙对称，所述第二上磁体与所述第二下磁体关于所述第一间隙对称。

优选地，根据权利要求1所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，所述第一磁体的径向宽度大于所述第二磁体的径向宽度；所述第二磁体的径向宽度大于或等于所述第三磁体的径向宽度。

优选地，所述第一磁体、第二磁体、第三磁体的横截面为正多边形或圆形。

优选地，还包括骨架，其上设有用于固定所述第一磁体的第一固定件、用于固定所述第二磁体的第二固定件以及用于固定所述第三磁体的第三固定件。

优选地，所述第三固定件为螺母，所述第三磁体上设有与所述螺母相匹配的位移调节螺钉，以使所述第三磁体的位置能进行一定范围的调节。

优选地，所述骨架包括能沿所述第一魔环轴向分离的第一骨架与第二骨架；所述第一骨架与第二骨架相互对称。

优选地，还包括中空样品管以及与所述样品管的底端相连的长螺杆，所述中空样品管的内壁设有与所述长螺杆相匹配的螺纹。

本发明还提供一种便携式磁共振分析仪，其特征在于，包括本发明提供的便携式核磁共振分析传感器。

本发明提供的便携式核磁共振分析传感器及便携式磁共振分析仪，磁体结构和磁场稳定可靠，磁体外部漏磁很小；减弱甚至抵消外磁环形成的端效应，增加了轴向敏感区的范围；且磁块形状简单且相同，生产简便且成本较低。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例的便携式核磁共振分析传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的便携式核磁共振分析传感器的磁化方向的结构示意图；

图3为本发明实施例的由第一磁体组成的第一魔环的结构示意图；

图4为本发明实施例的由第二磁体组成的第二魔环及调节磁体组的结构示意图；

图5为本发明实施例的骨架的结构示意图；

图6为本发明第三磁体及其上螺钉的结构示意图；

图7为图6所示的螺钉的具体结构示意图；

图8为本发明实施例的天线的结构示意图；

图9为本发明实施例的与天线相配合的长螺杆的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明提供一种便携式核磁共振分析传感器，包括外磁环、位于外磁环内侧的内磁环以及调节磁体组。

其中，外磁环18包括由多个长条形的第一磁体10组成的第一魔环，用于组成第一魔环的多个第一磁体的充磁方向沿第一圆周方向逐个变化，构成磁场回路，以在整个外环磁体中心处产生较为均匀的磁场；请同时参照图3，本实施例中，每个第一磁体10包括沿第一魔环轴向分布的第一上磁,11及第一下磁体12，在第一上磁体及第一下磁体之间还具有第一间隙11，且第一上磁体11与第一下磁体12是关于第一间隙13对称的。

请同时参照图4，内磁环28包括由多个长条形的第二磁体20围成的第二魔环，用于组成第二魔环的多个第二磁体的充磁方向沿所述第一圆周方向逐个变化。本实施例中，每个第二磁体20包括沿第二魔环轴向分布的第二上磁体21及第二下磁体22，第二上磁体21及第二下磁体22之间具有第二间隙23，且第二上磁体21与第二下磁体22是关于第二间隙23对称的。需要说明的是，第二磁体20的轴向高度是小于第一磁体10的轴向高度的，从而使得第二间隙23大于第一间隙21。在具体实施时，第二磁体20的轴向高度为第一磁体10的轴向高度的1/10至1/2。此外，第一磁体10的径向宽度大于第二磁体20的径向宽度，一般地，第一磁体10、第二磁体20的横截面可以为正多边形或圆形，本实施例中，为正六边形。

上述第一磁体10及第二磁体20可以是整体的长条形磁体，也可由小磁块粘贴而成；优选地，第二磁体20采用小磁块粘贴而成。整个内磁环28嵌套在外磁环18内，所产生的磁场与外磁环18叠加，可以减弱甚至抵消外磁环形成的端效应，从而增加了纵向敏感区的范围。

调节磁体组38，分布在外磁环18或内磁环28的内侧，包括由至少两个第三磁体组成的第三魔环，用于组成第三魔环的至少两个第三磁体的充磁方向沿第二圆周方向逐个变化，在具体实施时，该至少两个第三磁体可以均匀分布在外磁环18或内磁环28的内侧。本实施例中，包括4个第三磁体，本实施例中，调节磁体组38的第三磁体30均匀位于外磁环18的内侧，具体位于第二上磁体21与第二下磁体22的第二间隙23中。如图4所示，本实施例中，每个第三磁体30包括沿第二魔环轴向分布的第三上磁体31及第三下磁体32，在第三上磁体31及第三下磁体32之间设有第三间隙33，且第三上磁体31与第三下磁体32是关于第三间隙33对称的，在具体实施时，第三间隙33与第一间隙13大小相近，例如其轴向高度相同。此外，第三磁体30的径向宽度不大于第二磁体20的径向宽度，也就是说，第二磁体20的径向宽度大于或等于第三磁体30的径向宽度，一般地，第三磁体30的横截面也可以为正多边形或圆形，例如为正六边形。

需要说明的是，本发明中的对称并不是严格意义上的对称，只需大致对称即可，不管是第一上磁体与第一下磁体之间，还是第二上磁体与第二下磁体之间；或第三上磁体与第三下磁体之间都是可以进行微调的。

如图5所示，本实施例中，还包括骨架40，其上设有用于固定第一磁体的第一固定件(图中未显示)、用于固定第二磁体的第二固定件(图中未显示)以及用于固定第三磁体的第三固定件(图中未显示)。

在具体实施时，第一固定件及第二固定件可以为凹槽，其大小可以分别于第一磁体10与第二磁体20相一致；此外，第一固定件及第二固定件可以为螺母，此时，第一磁体10与第二磁体20上需要设置于该螺母相匹配的螺钉。在本发明的又一实施例中，第一固定件及第二固定件可以为螺钉，此时，第一磁体10与第二磁体20上需要设置于该螺钉相匹配的螺母。

骨架40可以包括能沿第一魔环轴向分离的第一骨架41与第二骨架42；一般地，上述第一骨架41与第二骨架42是相互对称的，两者之间可以通过螺栓等固定。第一上磁体11、第二上磁体21、第三上磁体31固定在第一骨架41上，第一下磁体12、第二下磁体22、第三下磁体32则固定在第二骨架42中；如此，可以借由第一骨架41与第二骨架42之间的距离对第一间隙13、第二间隙23、第三间隙33的大小做大致的调节。

本实施例中，第三固定件可以为螺母，如图6、图7所示，第三磁体30上设有与螺母相匹配的位移调节螺钉51，以使第三磁体30的位置能进行一定范围的调节，从而能够增大横向平面上的敏感区域均匀度和敏感区范围。一般地，每个第三上磁体或第三下磁体上可以设置2至8个位移调节螺钉51，从而使第三上磁体或第三下磁体能朝2至8个不同的方向进行小范围的移动。如图6、7所示，当每个第三上磁体或第三下磁体上的位移调节螺钉51为6个时，可以在第三上磁体或第三下磁体的上下端面分别设置一个位移调节螺钉51，在第三上磁体或第三下磁体的侧壁设置4个不同方向的位移调节螺钉51。本实施例中，位移调节螺钉51包括底盘52以及设置在底盘上的螺钉，其中底盘52与第三上磁体或第三下磁体端面及侧壁紧贴固定，底盘52形状也根据端面及侧壁的形状改变，例如当第三磁体为六边形柱体时，与端面贴合的底盘52可以为圆形，与侧壁贴合的底盘52可以为长方形。通过调节螺母，在小范围内自由调节第三磁体位置，使具有极高的调节精确度。在具体实施时，第三固定件的螺母的个数可以大于第三磁体上的位移调节螺钉51的个数，如此，在调节螺母时，可以调节与位移调节螺钉51相匹配的螺母的位置即可。需要说明的是，当上述第一固定件及第二固定件为螺母时，可以采用与第三固定件及位移调节螺钉51一样的结构，从而在一定范围内对第一磁体、第二磁体也能进行移动。

请参照图8、图9，在本发明的另一实施例中，还包括中空样品管62，用于放置样品，样品管62的外壁绕制有螺线管或马鞍形的天线61，本实施例中采用螺线管的形式，样品管由特氟龙等不含氢元素的非金属材质制成。样品管62的内部设有螺纹，底端可以采用螺纹活塞进行封闭，活塞可自由取下，从而使样品长度不受限制。例如图9所示的长螺杆63与样品管62的底端相连；样品管62的内壁设有与长螺杆相匹配的螺纹，长螺杆63可以插入样品管61内，从而可以自由调节样品位置。

此外，本发明还提供一种便携式磁共振分析仪，包括本发明提供的便携式核磁共振分析传感器。

本发明提供的便携式核磁共振分析传感器以及应用该传感器的便携式磁共振分析仪，通过内磁环、外磁环以及调节磁体组相配合，在显著降低磁体重量的基础上，显著的增大了探测敏感区域的体积，从而提高了仪器的信噪比；具有重量较小，敏感区域体积大，探测信号信噪比高，静磁场调节方便自由且精确度极高，样品长度和位置不受限制等特点。

更具体地，本发明所提供的便携式核磁共振分析传感器以及应用该传感器的便携式磁共振分析仪具有如下优势：(1)样品区域大，样品区与磁体重量之比较大；(2)磁体利用率相对较高，磁块能量的利用接近最优；(3)横向静磁场，用高效率螺线管天线激发和接收核磁共振信号；(4)样品区磁场高均匀性，具备极高的均场可调节精确度；(5)磁体结构和磁场稳定可靠，磁体外部漏磁很小；(6)磁块形状简单且相同，生产简便且成本较低；(7)减弱甚至抵消外环磁体形成的端效应，增加了轴向敏感区的范围；(9)样品长度不受限制。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，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所述第一圆周方向逐个变化，且所述第二磁体的轴向高度小于所述第一磁体的轴向高度；

调节磁体组，分布在所述外磁环或所述内磁环的内侧，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。

2.根据权利要求1所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，所述第一磁体包括沿所述第一魔环轴向分布的第一上磁体及第一下磁体；所述第一上磁体及第一下磁体之间具有第一间隙；所述第二磁体包括沿所述第二魔环轴向分布的第二上磁体及第二下磁体，所述第二上磁体及第二下磁体之间具有第二间隙，所述第二间隙大于所述第一间隙。

3.根据权利要求2所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，所述第一上磁体与所述第一下磁体关于所述第一间隙对称，所述第二上磁体与所述第二下磁体关于所述第一间隙对称。

4.根据权利要求1所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，所述第一磁体的径向宽度大于所述第二磁体的径向宽度；所述第二磁体的径向宽度大于或等于所述第三磁体的径向宽度。

5.根据权利要求1所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，所述第一磁体、第二磁体、第三磁体的横截面为正多边形或圆形。

6.根据权利要求1所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，还包括骨架，其上设有用于固定所述第一磁体的第一固定件、用于固定所述第二磁体的第二固定件以及用于固定所述第三磁体的第三固定件。

7.根据权利要求6所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，所述第三固定件为螺母，所述第三磁体上设有与所述螺母相匹配的位移调节螺钉，以使所述第三磁体的位置能进行一定范围的调节。

8.根据权利要求6所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，所述骨架包括能沿所述第一魔环轴向分离的第一骨架与第二骨架；所述第一骨架与第二骨架相互对称。

9.根据权利要求1所述便携式核磁共振分析传感器，其特征在于，还包括中空样品管以及与所述样品管的底端相连的长螺杆，所述中空样品管的内壁设有与所述长螺杆相匹配的螺纹。

10.一种便携式磁共振分析仪，其特征在于，包括如权利要求1至9任一所述的便携式核磁共振分析传感器。