CN113933761A - 基于电容加载同轴谐振腔的ovh磁传感器腔体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，包括：腔体导体、加载电容、可调电容和连接电容；腔体导体为同心圆柱体，包括内外导体；内导体为顶端封闭、底端不封闭的空心圆柱，外导体从低端至顶端设置有多个开孔，将外导体分割为多个条状，且在顶端均分成了四组，每相邻两组之间通过连接电容相连；内导体和外导体在底端直接相连形成短路；内导体和外导体在顶端通过加载电容相连形成开路；可调电容安置在内导体顶端的中心位置。本发明通过调节加载电容和可调电容可以改变腔体的谐振频率，以实现对不同激发频点的自由基溶液的有效激发；射频磁场在腔体导体内产生的涡流在外导体的条状结构下被抑制，减小了能量损耗，提高了激发效率。

Description

基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体

技术领域

本发明涉及地磁场测量传感器技术领域，具体涉及一种基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体。

背景技术

Overhauser(OVH)磁传感器是一种基于自由基物质动态核极化(Dynamic NuclearPolarisation，DNP)效应的弱磁测量传感器，具有高精度和高灵敏度的特点，在陆地磁测、海洋磁测、空间磁测、军事和各类工程领域已得到广泛应用。OVH磁传感器中自由基的动态核极化是传感器工作的关键，只有有效的激励自由基溶液，产生高质量的FID信号，才能准确测得地磁场的值。根据电子顺磁共振理论，不同自由基溶液动态核极化所需频率并不完全相同，为了使自由基有效激发，需要设计相应的激励电路来产生极化磁场。常规的激励方法为LC谐振电路，利用电感电容的串并联进行谐振，从而产生电磁波。但是OVH磁传感器需要高频激励，LC谐振电路在频率较高时有很大的缺点：高频谐振时LC元件的尺寸过小，不利于制作；电路的储能减少，品质因数显著降低，电路损耗大。利用微波谐振腔可以克服LC谐振电路的上述缺点。微波谐振腔在物理结构上与微波传输线相似，在储能和选频特性上与LC谐振电路相似，但品质因数远远高于LC谐振电路，在避免辐射损失和储能方面具有优势。然而一些典型的谐振腔(例如矩形、圆柱形谐振腔、同轴谐振腔等)又具有体积过大、不方便制作和携带等缺点。除了谐振腔之外，笼式线圈也可作为激励模块。笼式线圈结构简单、容易实现，但是线圈内功率损耗大，导致自由基的极化效率较低，并且笼式线圈的端环半径、横档长度、横档个数和匹配电容都对频点产生影响，结构一旦确定后，频点调节将会变得不太容易，在应对激发频点不同的自由基时操作难度将会大大增加。

因此，传统OVH磁传感器存在以下技术问题：(1)LC谐振电路在高频谐振时LC元件的尺寸过小，不利于制作，电路的储能减少，品质因数显著降低，电路损耗大；(2)典型谐振腔体积过大、不方便制作和携带；(3)笼式线圈品质因数低、功率损耗大、极化效率低，在面对不同激发频点的自由基时设计难度增大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种电容加载同轴谐振腔结构，作为OVH磁传感器的腔体结构，从而得到一种基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，该OVH磁传感器腔体包括：腔体导体、加载电容、可调电容以及连接电容；

所述腔体导体为同心圆柱体，包括内导体和外导体两部分；

所述内导体为顶端封闭、底端不封闭的空心圆柱，所述外导体从低端至顶端设置有多个开孔，多个所述开孔将外导体分割为多个条状，多个所述条状在顶端均分成了四组，每相邻两组之间通过所述连接电容相连；

所述内导体和所述外导体在底端直接相连，形成短路；所述内导体和所述外导体在顶端通过所述加载电容相连，形成开路；

所述可调电容安置在所述内导体顶端的中心位置。

进一步地，所述加载电容共有八个，均匀安装在腔体顶端。

进一步地，所述电容加载同轴谐振腔能够存储特定频率的电磁能量，在所述内导体的顶端添加频率满足腔体谐振点的射频激励信号，所述电容加载同轴谐振腔发生谐振并产生射频磁场，所述射频磁场呈圆环状均匀分布且都集中在所述电容加载同轴谐振腔的内部，当所述电容加载同轴谐振腔内放置装有自由基溶液的杜瓦瓶时，所述电容加载同轴谐振腔内产生的射频磁场能够实现对所述OVH磁传感器腔体内自由基溶液的有效激发。

进一步地，所述OVH磁传感器腔体的谐振频率的调节通过改变所述加载电容和所述可调电容的容值来实现，所述OVH磁传感器腔体的等效电路为LC谐振电路，所述加载电容与所述腔体导体的等效电感并联后再与所述可调电容串联；所述OVH磁传感器腔体的谐振频率的值通过多个所述加载电容的总值与所述腔体导体的等效电感的并联确定，在谐振腔顶端的所述加载电容值确定后，通过改变所述可调电容的值实现腔体谐振频率的细调和微调，从而实现对多种激发频点不同的自由基溶液的激励。

进一步地，所述腔体谐振频率的计算公式如下：

其中，f为OVH磁传感器腔体的谐振频率，L为腔体导体的等效电感，C为腔体顶端多个加载电容的总值，C1为可调电容的值。

进一步地，所述腔体导体的长为120mm，所述内导体半径为10mm，所述外导体半径为30mm。

进一步地，所述腔体导体采用银质材料实现腔体欧姆损耗的削减。

进一步地，所述外导体从底端到顶端都进行了开孔设计，开孔将外导体分割成许多细条状，这些条状在顶端又被分割为四个大部分；受到激励的腔体产生变化的射频磁场，腔体导体在变化的射频磁场中产生涡流，细条状的导体将涡流限制在狭小空间内，涡流强度降低，热效应降低，能量损耗减小，射频功率被自由基溶液的利用程度提高。

与现有的技术比较，本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)电容加载同轴谐振腔既保留了LC谐振电路的能量存储和选频特性，又具有较高的品质因数，在避免辐射损失和储能方面具有优势。

(2)在传统电容加载同轴谐振腔的基础上进行了结构改进，在腔体顶端设置加载电容和可调电容，克服典型谐振腔尺寸受谐振频率所限制的问题。

(3)通过调节腔体顶端加载电容与可调电容的值，可以调节腔体的谐振频率和品质因数，使之能够适应于多种激发频率不同的自由基溶液，给OVH磁传感器的研究带来了很大的便利。

(4)腔体外导体侧面的多个开孔设计可以很大程度的减小腔体内的涡流，降低热效应，射频激励的功率将尽可能用于自由基溶液的极化，从而极大的提高激发效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体的结构示意图；

图2是本发明基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体的等效LC谐振电路图；

图中，1-内导体、2-外导体、3-加载电容、4-可调电容、5-连接电容。

具体实施方式

下面将结合附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参考图1，本发明提供了一种基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，包括：腔体导体、加载电容3、可调电容4以及连接电容5，图1(a)为腔体完整的结构图；腔体导体为一个同心圆柱体，包括内导体1和外导体2两部分；如图1(b)所示，内导体1为一个底面不封闭的空心圆柱体；如图1(c)所示，外导体2从底端到顶端都进行了开孔设计，开孔将外导体2分割成许多条状，这些条状在顶端又被均匀分割为四组；图1(d)为腔体顶端结构图，加载电容3一共有八个，均匀的安装在腔体顶部，连接内导体1与外导体2顶端，外导体2顶端分割开的四组中的每一组分别与内导体1之间放置两个加载电容3；可调电容4安装在内导体1顶端中心位置；连接电容5一共有四个，安装在外导体2顶端，连接外导体2顶端被分割的四组，连接电容为高容值器件，增大腔体阻抗，方便进行阻抗匹配。

本实施例中，电容加载的同轴腔结构能够存储特定频率的电磁能量，给腔体内导体1顶端添加频率满足腔体谐振点的射频激励信号，腔体发生谐振并产生分布均匀的射频磁场，产生的射频磁场呈圆环状分布且都集中在同轴谐振腔的内部，当腔体内放置装有自由基溶液的杜瓦瓶时，腔体内产生的射频磁场可实现对OVH磁传感器腔体内自由基溶液的有效激发，OVH磁传感器腔体谐振频率的调节通过改变加载电容3和可调电容4的容值实现。

参考图2，OVH磁传感器腔体的等效电路为LC谐振电路，加载电容3与腔体导体的等效电感并联后再与可调电容4串联；腔体谐振频率的大体值通过加载电容总值与腔体导体等效电感的并联来确定，在谐振腔顶端加载电容值确定后，通过改变可调电容4的值实现腔体谐振频率的细调和微调，从而实现对多种激发频点不同的自由基溶液的激励；腔体谐振频率计算公式如下：

其中，f为OVH磁传感器腔体的谐振频率，L为腔体导体的等效电感，C为腔体顶端加载电容的总值，C1为可调电容的值。

本实施例中，腔体的外导体2从底端到顶端都进行了开孔设计，开孔将外导体2分割成许多细条状，这些条状在顶端又被分割为四大部分；受到激励的腔体产生变化的射频磁场，腔体导体在变化的射频磁场中产生涡流，细条状的导体将涡流限制在狭小空间内，涡流强度降低，热效应降低，能量损耗减小，射频功率被自由基溶液的利用程度提高。

作为可选地实施方式，腔体导体的长为120mm，内导体半径为10mm，外导体半径为30mm。

作为可选地实施方式，腔体导体采用银质材料，银质材料在常温下的电阻率低、导电率高，因此为了进一步减小空腔的欧姆损耗，使用银箔作为谐振腔的导体材料，能够使谐振腔的能量主要集中在谐振腔内，最大程度上降低激励信号在谐振腔内的能量损耗，提高自由基溶液的极化效率。

本发明提供了一种基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，在射频激励信号的作用下，腔体内部产生分布均匀的射频磁场，此射频磁场可激励自由基溶液使之产生DNP效应；调节加载电容和可调电容的值可以改变腔体的谐振频率，以实现对不同激发频点的自由基溶液的有效激发；射频磁场在腔体导体内产生的涡流在外导体的条状结构下被抑制，涡流强度降低，能量损耗减小，激发效率提高。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，其特征在于，包括：腔体导体、加载电容、可调电容以及连接电容；

所述腔体导体为同心圆柱体，包括内导体和外导体两部分；

所述内导体为顶端封闭、底端不封闭的空心圆柱，所述外导体从低端至顶端设置有多个开孔，多个所述开孔将外导体分割为多个条状，多个所述条状在顶端均分成了四组，每相邻两组之间通过所述连接电容相连；

所述内导体和所述外导体在底端直接相连，形成短路；所述内导体和所述外导体在顶端通过所述加载电容相连，形成开路；

所述可调电容安置在所述内导体顶端的中心位置。

2.如权利要求1所述的基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，其特征在于，所述加载电容共有八个，均匀安装在腔体顶端。

3.如权利要求1所述的基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，其特征在于，所述电容加载同轴谐振腔能够存储特定频率的电磁能量，在所述内导体的顶端添加频率满足腔体谐振点的射频激励信号，所述电容加载同轴谐振腔发生谐振并产生射频磁场，所述射频磁场呈圆环状均匀分布且都集中在所述电容加载同轴谐振腔的内部，当所述电容加载同轴谐振腔内放置装有自由基溶液的杜瓦瓶时，所述电容加载同轴谐振腔内产生的射频磁场能够实现对所述OVH磁传感器腔体内自由基溶液的有效激发。

4.如权利要求1所述的基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，其特征在于，所述OVH磁传感器腔体的谐振频率的调节通过改变所述加载电容和所述可调电容的容值来实现，所述OVH磁传感器腔体的等效电路为LC谐振电路，所述加载电容与所述腔体导体的等效电感并联后再与所述可调电容串联；所述OVH磁传感器腔体的谐振频率的值通过多个所述加载电容的总值与所述腔体导体的等效电感的并联确定，在谐振腔顶端的所述加载电容值确定后，通过改变所述可调电容的值实现腔体谐振频率的细调和微调，从而实现对多种激发频点不同的自由基溶液的激励。

5.如权利要求4所述的基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，其特征在于，所述腔体谐振频率的计算公式如下：

其中，f为OVH磁传感器腔体的谐振频率，L为腔体导体的等效电感，C为腔体顶端多个加载电容的总值，C1为可调电容的值。

6.如权利要求1所述的基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，其特征在于，所述腔体导体的长为120mm，所述内导体半径为10mm，所述外导体半径为30mm。

7.如权利要求1所述的基于电容加载同轴谐振腔的OVH磁传感器腔体，其特征在于，所述腔体导体采用银质材料实现腔体欧姆损耗的削减。

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