CN115542210A - 一种高信噪比、短收发切换时间的dnp磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，包括微带线介质，微带线介质为筒状，多个轴向微带线导体沿微带线介质的内壁周向均匀分布，微带线介质的外壁顶端至底端依次设置有第一线圈环、第一周向裂隙、第一微带线参考面环、第二周向裂隙、第二线圈环、第三周向裂隙、第三线圈环、第四周向裂隙、第二微带线参考面环、第五周向裂隙以及第四线圈环；还包括差分螺线信号接收线圈。本发明缩短了直流极化和信号接收切换时间，使高信噪比部分的磁共振信号能够被接收，同时提升了样品的极化利用率和降低了热噪声，能进一步提高接收信号的信噪比，此外还兼顾了均匀圆极化射频场的产生与激发效率的提高。

Description

一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器

技术领域

本发明属于微弱磁场测量领域，具体涉及一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器。

背景技术

微弱磁场测量可以借助众多高精度仪器，Overhauser磁力仪以其稳定性强、灵敏度高、便携性好等优势成为了野外测量地磁场的优先选择，它基于DNP效应，利用射频场激发并饱和电子共振，并通过电子和质子之间的耦合作用，将电子的高极化度转移给质子，从而极大地提高了被测磁信号的灵敏度。Overhauser磁力仪由DNP磁传感器、信号接收与处理电路、主控系统等部分组成，其中磁传感器为微弱磁信号初级检测装置，其性能直接影响测量精度和灵敏度。

DNP磁传感器通常由直流极化与接收线圈、电子极化器组成。在现有方案中，前者结构通常为螺线管线圈结构，用于产生预极化场以及接收质子共振信号；后者通常采用鸟笼线圈或者同轴谐振腔结构，用于产生激发电子的射频场。直流极化与接收线圈通常采用抗噪能力强的差分结构，为了能够产生更为均匀的预极化场，其上下两部分之间会留出一定间隙，导致间隙对应的中心区域样品信号不能被激发和接收。此外，直流极化和信号接收由同一线圈执行会导致线圈收发切换时间过长，并且极化电流产生的热效应会增加热噪声，这些因素都会降低信号信噪比。而在电子极化器的两种常用方案中，腔体结构虽然有较高的激发效率，但其内部磁场沿径向分布不均匀，且其产生的是线极化磁场，考虑到Bloch-Siegert位移，这有可能会导致极化正负增强相抵消，从而降低增强倍数；而鸟笼结构线圈虽然能产生圆极化场，但其存在效率较低等不利因素。

为了解决现有方案中的不足，提高增强倍数，提升仪器的检测灵敏度，需对磁传感器进行优化设计。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中常规磁传感器存在的上述问题，提供一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，包括微带线介质，微带线介质为筒状，多个轴向微带线导体沿微带线介质的内壁周向均匀分布，

微带线介质的外壁顶端至底端依次设置有第一线圈环、第一周向裂隙、第一微带线参考面环、第二周向裂隙、第二线圈环、第三周向裂隙、第三线圈环、第四周向裂隙、第二微带线参考面环、第五周向裂隙以及第四线圈环，第一微带线参考面环由多个沿微带线介质周向分布的上部外壁轴向裂隙分隔为多个子微带线参考面，第二微带线参考面环由多个沿微带线介质周向分布的下部外壁轴向裂隙分隔为多个子微带线参考面。

如上所述第一线圈环、第一周向裂隙、第一微带线参考面环、第二周向裂隙、第二线圈环、第三周向裂隙、第三线圈环、第四周向裂隙、第二微带线参考面环、第五周向裂隙以及第四线圈环的中心轴与微带线介质的中心轴共线。

如上所述上部外壁轴向裂隙和下部外壁轴向裂隙的长度方向均平行于微带线介质的轴线。

如上所述上部外壁轴向裂隙和下部外壁轴向裂隙一一对应，上部外壁轴向裂隙和对应的下部外壁轴向裂隙共线。

如上所述第一线圈环和第二线圈环构成第一对亥姆霍兹线圈，第三线圈环和第四线圈环构成第二对亥姆霍兹线圈。

选定在微带线介质内壁的分布圆心角为90度的两个轴向微带线导体，对于每个选定的轴向微带线导体：轴向微带线导体靠近第一线圈环的端部与第一线圈环之间连接有调谐电容，轴向微带线导体靠近第一线圈环的端部通过匹配电容与正交馈电同轴线的内芯连接，正交馈电同轴线的外导体与第一线圈环连接，正交馈电同轴线的外导体同时连接电气地。

一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，还包括差分螺线信号接收线圈，差分螺线信号接收线圈包括上部信号接收线圈和下部信号接收线圈，骨架同轴放置在微带线介质的外侧，上部信号接收线圈呈螺旋状绕制在骨架的上半部，下部信号接收线圈呈螺旋状绕制在骨架的下半部；或者骨架同轴放置在微带线介质的内侧，上部信号接收线圈呈螺旋状绕制在骨架的上半部，下部信号接收线圈呈螺旋状绕制在骨架的下半部。

如上所述微带线介质的径向方向上，位于第一微带线参考面环上的上部外壁轴向裂隙和位于第二微带线参考面环上的下部外壁轴向裂隙均与轴向微带线导体不相重叠。

一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，还包括主控系统，主控系统控制射频信号源产生激发电子共振频率的射频信号并输出到可控衰减器，可控衰减器对输入的射频信号进行功率调节，产生不同功率的射频信号并通过射频开关输入到射频功率放大器进行功率放大，放大后的射频信号通过90度混合耦合器分为功率相同且相位相差90度的两路信号分别输入到第一轴向微带线导体和第四轴向微带线导体用于激发电子共振并形成射频场，直流极化电路接收到主控系统的时序信号后，通过给DNP磁传感器中的第一对亥姆霍兹线圈和第二对亥姆霍兹线圈施加直流脉冲产生预极化磁场，预极化磁场和射频场相互垂直。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1）提出的高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，缩短了直流极化和信号接收切换时间，使高信噪比的磁共振信号部分能够被接收。

2）直流极化与信号检测的分离式设计，减少了预极化电流带来的热效应，降低了热噪声，可进一步提高信噪比。

3）收发分离式的设计可使常规磁传感器中不可测的中心样品区变为信号可测区域，增加有效样品量，从而提高触式磁共振信号强度。

4）筒状的裂隙TEM谐振器相对于鸟笼线圈、同轴谐振腔，可同时兼顾均匀圆极化射频场的产生与激发效率的提高。

附图说明

图1a为裂隙TEM谐振器（以n=4为例）的结构示意图；

图1b为裂隙TEM谐振器（以n=4为例）的细节图；

图2为差分螺线信号接收线圈的结构示意图；

图3a为微带线TEM谐振器横截面上射频场磁力线分布；

图3b为与图3a相差四分之一个周期时刻的微带线TEM谐振器横截面上射频场磁力线分布；

图3c为两对亥姆霍兹线圈在通入大小相等方向相反的一定强度电流时，所产生的预极化场分布；

图4为裂隙TEM谐振器的射频发射部分的等效电路；

图5为本发明用于磁力仪系统的系统示意图。

图中：

1-轴向微带线导体；

2-微带线介质；

3-微带线参考面；301-第一微带线参考面环；302-第二微带线参考面环；303-子微带线参考面；

4-线圈环；401-第一线圈环；402-第二线圈环；403-第三线圈环；404-第四线圈环；405-馈电点；

501-主控系统；502-射频信号源；503-可控衰减器；504-射频开关；505-射频功率放大器；506-90度混合耦合器；507-直流极化电路；508-DNP磁传感器；509-调谐匹配电路；510-信号调理电路；511-ADC采样电路；

601-第一周向裂隙；602-第二周向裂隙；603-第三周向裂隙；604-第四周向裂隙；605-第五周向裂隙；

701-上部外壁轴向裂隙；702-下部外壁轴向裂隙；

8-差分螺线信号接收线圈；801-上部信号接收线圈；802-下部信号接收线圈；

901-调谐电容；902-匹配电容；903-正交馈电同轴线。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实例对本发明作进一步的详细描述，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并非是对本发明的限制。

实施例1：

一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，包括裂隙TEM谐振器，裂隙TEM谐振器包括轴向微带线导体1、微带线介质2、微带线参考面3和线圈环4。

微带线介质2为筒状，轴向微带线导体1为长条形，轴向微带线导体1的长度方向平行于微带线介质2的轴线，多个轴向微带线导体1沿微带线介质2的内壁周向均匀分布，轴向微带线导体1的个数为4n个，n为大于1的自然数。

微带线参考面3和线圈环4附着于微带线介质的外壁，且在同一圆柱形曲面上，微带线参考面3包括第一微带线参考面环301和第二微带线参考面环302，线圈环4包括第一线圈环401、第二线圈环402、第三线圈环403、以及第四线圈环404，微带线介质2的外壁顶端至底端依次设置有第一线圈环401、第一周向裂隙601、第一微带线参考面环301、第二周向裂隙602、第二线圈环402、第三周向裂隙603、第三线圈环403、第四周向裂隙604、第二微带线参考面环302、第五周向裂隙605以及第四线圈环404，第一线圈环401、第一周向裂隙601、第一微带线参考面环301、第二周向裂隙602、第二线圈环402、第三周向裂隙603、第三线圈环403、第四周向裂隙604、第二微带线参考面环302、第五周向裂隙605以及第四线圈环404的中心轴与微带线介质2的中心轴共线。

第一微带线参考面环301和第二微带线参考面环302共同构成裂隙TEM谐振器的微带线参考面3，第一微带线参考面环301由多个沿微带线介质2周向分布的上部外壁轴向裂隙701分隔为多个子微带线参考面303，第二微带线参考面环302由多个沿微带线介质2周向分布的下部外壁轴向裂隙702分隔为多个子微带线参考面303，第一微带线参考面环301和第二微带线参考面环302均被分隔成若干独立的子微带线参考面303以减小涡流，上部外壁轴向裂隙701和下部外壁轴向裂隙702的长度方向均平行于微带线介质2的轴线，作为一种优选方案，上部外壁轴向裂隙701和下部外壁轴向裂隙702一一对应，上部外壁轴向裂隙701和对应的下部外壁轴向裂隙702共线。

第一线圈环401和第二线圈环402构成第一对亥姆霍兹线圈，第三线圈环403和第四线圈环404构成第二对亥姆霍兹线圈。通过对两对亥姆霍兹线圈施加直流激励信号产生预极化磁场，预极化磁场和裂隙TEM谐振器产生的射频场相互垂直。

微带线参考面3、轴向微带线导体1、第一对亥姆霍兹线圈、以及第二对亥姆霍兹线圈均为金属良导体材料。

选定的轴向微带线导体1靠近第一线圈环401的端部与第一线圈环401之间连接有调谐电容901，选定的轴向微带线导体1靠近第一线圈环401的端部通过匹配电容902与正交馈电同轴线903的内芯连接，正交馈电同轴线903的外导体与第一线圈环401连接，正交馈电同轴线903的外导体同时连接电气地。选定的轴向微带线导体1为两个，选定的两个轴向微带线导体1在微带线介质2内壁的分布圆心角为90度。

还包括差分螺线信号接收线圈，差分螺线信号接收线圈包括上部信号接收线圈801和下部信号接收线圈802。

作为一种实施方式，差分螺线信号接收线圈绕制在筒状非金属的骨架上，骨架同轴放置在微带线介质2的外侧，上部信号接收线圈801呈螺旋状绕制在骨架的上半部，下部信号接收线圈802呈螺旋状绕制在骨架的下半部。

作为另一种实施方式，差分螺线信号接收线圈绕制在筒状非金属的骨架上，骨架同轴放置在微带线介质2的内侧，上部信号接收线圈801呈螺旋状绕制在骨架的上半部，下部信号接收线圈802呈螺旋状绕制在骨架的下半部。

非金属骨架可以选择环氧树脂、尼龙等低成本易获得的材料，或者聚酰亚胺、液晶高分子等低介电损耗的材料。

上部信号接收线圈801的两端分别为上部引线和下部引线，下部信号接收线圈802的两端分别为上部引线和下部引线，上部信号接收线圈801的上部引线和下部信号接收线圈802的上部引线构成差分螺线信号接收线圈的两端，上部信号接收线圈801的下部引线和下部信号接收线圈802的下部引线连接。

上部信号接收线圈801和下部信号接收线圈802对称设置。

差分螺线信号接收线圈的电阻值合适范围在5-20欧姆之间，电感值合适范围在15-40mH之间，若采用铜漆包线进行绕制，计算可得当线径在0.7-1.2mm范围，线圈半径在2-3.5cm范围，线圈厚度在1-1.5cm范围时，具有最佳的接收效率。差分螺线信号接收线圈在外，微带线介质2在内时，前者可密集绕制，其内径略微大于后者外径，且为了进一步提高接收效率，上部外壁轴向裂隙701和下部外壁轴向裂隙702可适当加宽。

当差分螺线信号接收线圈在内，裂隙TEM谐振器在外时，为了提高发射效率，差分螺线信号接收线圈可采用稀疏绕制方式，上部外壁轴向裂隙701和下部外壁轴向裂隙702应尽可能地窄。

但无论哪种方式，在微带线介质2的径向方向上，位于第一微带线参考面环301上的上部外壁轴向裂隙701和位于第二微带线参考面环302上的下部外壁轴向裂隙702均与轴向微带线导体1不相重叠。

实施例2（n=4的情况）：

在本实施例中，n=4，轴向微带线导体1为沿微带线介质2的内壁周向均匀分布的16个长条形金属导体，第一轴向微带线导体至第十六轴向微带线导体沿微带线介质2的内壁周向均匀分布，记第一轴向微带线导体和第四轴向微带线导体在微带线介质2内壁的分布圆心角为90度。第一轴向微带线导体和第四轴向微带线导体为实施例所述选定的轴向微带线导体。

第一轴向微带线导体、第四轴向微带线导体与第一线圈环401正交馈电。通过第一轴向微带线导体和第四轴向微带线导体馈入射频功率信号，第一轴向微带线导体和第四轴向微带线导体馈入的射频功率信号相位差90度，若馈至第一轴向微带线导体的信号相位滞后第四轴向微带线导体，则在微带线介质2内部空间产生如图3a所示的均匀右旋圆极化场，若馈至第一轴向微带线导体的信号相位超前101b，则产生左旋圆极化场，第一对亥姆霍兹线圈和第二对亥姆霍兹线圈馈入大小相等且方向相反的电流，在微带线介质2内部空间产生如图3c所示垂直于射频场的预极化场。如此，便可利用裂隙TEM谐振器产生的射频场激发样品中未配对电子发生共振，发生极化转移，并利用预极化场产生质子宏观磁矩，得到与待测磁场强度相关的核磁信号。

裂隙TEM谐振器谐振于电子的共振频率上，如在地磁场下TEMPO自由基溶液中，其未配对电子共振频率在60-80MHz之间。而差分螺线信号接收线圈可通过外部调谐电路509谐振于质子频率处，如在地磁场下，质子共振频率在800-5000Hz之间。此结构还可应用于其他自由基样品和被测磁场场强下。图4为裂隙TEM谐振器的射频发射部分的等效电路，其中Z₀和β分别为传输线的特征阻抗和传输常数，各轴向微带线导体与周向裂隙（第一周向裂隙~第五周向裂隙）重叠对应的一小段可等效为电抗为iXn电感器，iXn与周向裂隙宽度有关，各轴向微带线导体之间通过微带线参考面耦合，微带线参考面的等效阻抗记为jX，则裂隙TEM谐振器的谐振频率F可由下式计算得出：

（1）

式中，N=4n为轴向微带线导体的个数，L为单个轴向微带线导体的等效电感，C_1(k+1)为第一轴向微带线导体与第k+1轴向微带线导体的耦合系数，k∈{1~N-1}，此耦合系数可通过实验测得，f为轴向微带线导体及其对应的微带线介质和微带线参考面所组成的微带线结构单元的谐振频率，其可由下式计算得出：

（2）

（3）

（4）

式中， m为大于等于1的整数，c为光速，Z为轴向微带线导体的特征阻抗，a为轴向微带线导体长度，

为微带线介质的等效介电常数，

为微带线介质的相对介电常数，W为轴向微带线导体的宽度，H为微带线介质的厚度，因此裂隙TEM谐振器的大范围调谐可通过调整四个周向裂隙的宽度去等效地改变长度a实现，而频率微调则通过调整可调谐振电容实现。

图5所示为高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器用于磁力仪系统的系统示意图。磁力仪系统主要分为五个部分，包括主控系统501、射频发射链路、直流极化电路、磁传感器、信号接收电路以及电源部分。

主控系统501主要负责产生射频信号源502、可控衰减器503、射频开关504、射频功率放大器505、90度混合耦合器506、直流极化电路507、DNP磁传感器508、调谐匹配电路509、信号调理电路510以及ADC采样电路511的工作时序以及信号的后处理。

射频发射链路包括射频信号源502、可控衰减器503、射频开关504、射频功率放大器505、以及90度混合耦合器506，其中射频信号源502用于产生能激发电子共振频率的射频信号并输出到可控衰减器503，可控衰减器503用于对输入的射频信号进行功率调节，控制产生不同功率的射频信号并通过射频开关504输入到射频功率放大器505进行功率放大，放大后的射频信号通过90度混合耦合器506被分为功率相同，相位相差90度的两路信号输入到第一轴向微带线导体、第四轴向微带线导体用于激发电子共振并形成射频场。射频开关504用于控制射频信号的通断。直流极化电路507接收到主控系统501的时序信号时，通过给DNP磁传感器508中的两对亥姆霍兹线圈施加直流脉冲产生预极化磁场。

信号接收电路中，调谐匹配电路509用于使差分螺线信号接收线圈谐振在质子信号共振频率处，信号调理电路510对信号进行滤波和放大等预处理，ADC采样电路511对信号进行数字采样，并送入主控系统进行频率计数和场强换算。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，包括微带线介质（2），其特征在于，微带线介质（2）为筒状，多个轴向微带线导体（1）沿微带线介质（2）的内壁周向均匀分布，微带线介质（2）的外壁顶端至底端依次设置有第一线圈环（401）、第一周向裂隙（601）、第一微带线参考面环（301）、第二周向裂隙（602）、第二线圈环（402）、第三周向裂隙（603）、第三线圈环（403）、第四周向裂隙（604）、第二微带线参考面环（302）、第五周向裂隙（605）以及第四线圈环（404），第一微带线参考面环（301）由多个沿微带线介质（2）周向分布的上部外壁轴向裂隙（701）分隔为多个子微带线参考面（303），第二微带线参考面环（302）由多个沿微带线介质（2）周向分布的下部外壁轴向裂隙（702）分隔为多个子微带线参考面（303）。

2.根据权利要求1所述一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，其特征在于，所述第一线圈环（401）、第一周向裂隙（601）、第一微带线参考面环（301）、第二周向裂隙（602）、第二线圈环（402）、第三周向裂隙（603）、第三线圈环（403）、第四周向裂隙（604）、第二微带线参考面环（302）、第五周向裂隙（605）以及第四线圈环（404）的中心轴与微带线介质（2）的中心轴共线。

3.根据权利要求2所述一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，其特征在于，所述上部外壁轴向裂隙（701）和下部外壁轴向裂隙（702）的长度方向均平行于微带线介质（2）的轴线。

4.根据权利要求2所述一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，其特征在于，所述上部外壁轴向裂隙（701）和下部外壁轴向裂隙（702）一一对应，上部外壁轴向裂隙（701）和对应的下部外壁轴向裂隙（702）共线。

5.根据权利要求4所述一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，其特征在于，所述第一线圈环（401）和第二线圈环（402）构成第一对亥姆霍兹线圈，第三线圈环（403）和第四线圈环（404）构成第二对亥姆霍兹线圈。

6.根据权利要求5所述一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，其特征在于，选定在微带线介质（2）内壁的分布圆心角为90度的两个轴向微带线导体（1），对于每个选定的轴向微带线导体（1）：轴向微带线导体（1）靠近第一线圈环（401）的端部与第一线圈环（401）之间连接有调谐电容（901），轴向微带线导体（1）靠近第一线圈环（401）的端部通过匹配电容（902）与正交馈电同轴线（903）的内芯连接，正交馈电同轴线（903）的外导体与第一线圈环（401）连接，正交馈电同轴线（903）的外导体同时连接电气地。

7.根据权利要求6所述一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，其特征在于，还包括差分螺线信号接收线圈，差分螺线信号接收线圈包括上部信号接收线圈（801）和下部信号接收线圈（802），骨架同轴放置在微带线介质（2）的外侧，上部信号接收线圈（801）呈螺旋状绕制在骨架的上半部，下部信号接收线圈（802）呈螺旋状绕制在骨架的下半部；或者骨架同轴放置在微带线介质（2）的内侧，上部信号接收线圈（801）呈螺旋状绕制在骨架的上半部，下部信号接收线圈（802）呈螺旋状绕制在骨架的下半部。

8.根据权利要求7所述一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，其特征在于，所述微带线介质（2）的径向方向上，位于第一微带线参考面环（301）上的上部外壁轴向裂隙（701）和位于第二微带线参考面环（302）上的下部外壁轴向裂隙（702）均与轴向微带线导体（1）不相重叠。

9.根据权利要求7所述一种高信噪比、短收发切换时间的DNP磁传感器，其特征在于，还包括主控系统（501），主控系统（501）控制射频信号源（502）产生激发电子共振频率的射频信号并输出到可控衰减器（503），可控衰减器（503）对输入的射频信号进行功率调节，产生不同功率的射频信号并通过射频开关（504）输入到射频功率放大器（505）进行功率放大，放大后的射频信号通过90度混合耦合器（506）分为功率相同且相位相差90度的两路信号分别输入到第一轴向微带线导体和第四轴向微带线导体用于激发电子共振并形成射频场，直流极化电路（507）接收到主控系统（501）的时序信号后，通过给DNP磁传感器（508）中的第一对亥姆霍兹线圈和第二对亥姆霍兹线圈施加直流脉冲产生预极化磁场，预极化磁场和射频场相互垂直。

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