DE102013004000A1

DE102013004000A1 - System und Verfahren zur Verarbeitung magnetischer Resonanzsignale

Info

Publication number: DE102013004000A1
Application number: DE201310004000
Authority: DE
Inventors: Soumyajit Mandal; Yi-Qiao Song; Shin Utsuzawa; Marc Thompson
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-09-12

Abstract

Beschrieben wird hier ein Breitband-Magnetresonanz-(MR)-Empfänger. Der MR-Empfänger kann verwendet werden, um Kernmagnetresonanz-(NMR)-Signale zu verarbeiten. Der MR-Empfänger umfasst einen Transformator, der die MR-Signale verstärkt, und einen Vorverstärker, der die MR-Signale vom Transformator empfängt. Der Vorverstärker umfasst eine Sourcefolgerstufe und eine Common-Source-Verstärkerstufe.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf magnetische Resonanz (MR) und insbesondere auf MR-Empfänger.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Magnetresonanztechniken (MR-Techniken) können zur Bestimmung von Eigenschaften einer Substanz eingesetzt werden. Ein Beispiel einer MR-Technik ist eine Messung der kernmagnetischen Resonanz (NMR), auch Kernspinresonanz genannt (NMR). Eine NMR-Messung umfasst typischerweise das Anlegen eines statischen Magnetfelds an die Substanz. Das statische Magnetfeld erzeugt eine anfängliche Magnetisierung der Atomkerne innerhalb der Substanz. Danach wird ein NMR-System benutzt, um ein oszillierendes Magnetfeld von einer besonderen Frequenz auf der Substanz anzulegen. Das oszillierende Feld setzt sich aus einer Sequenz von Impulsen zusammen, die die Magnetisierung der Atomkerne von der anfänglichen weg kippen. Die Impulssequenz kann so angeordnet werden, dass die Impulse und das statische Feld mit den Kernen interagieren, um ein aus „Echos” innerhalb von mindestens einem Teil der Substanz zusammengesetztes Resonanzsignal zu erzeugen. Der Anteil der Substanz, wo das Resonanzsignal erzeugt wird, ist als eine „Hülle” bekannt.
Das resonante Signal wird erkannt und dann zur Bestimmung von NMR-Eigenschaften wie T₁ Relaxationszeit, T₂ Relaxationszeit und Abklingen des Signals aufgrund molekularer Diffusion verwendet. Diese NMR-Eigenschaften können zur Bestimmung der Eigenschaften der Substanz innerhalb der Hülle benutzt werden.
Die Impulssequenz wird typischerweise mehrfach wiederholt, so dass das resonante Signal mit größerer Genauigkeit bestimmt werden kann. Die nächste Impulssequenz wird erst veranlasst, wenn die Atomkerne innerhalb der Hülle thermisches Gleichgewicht erreicht haben und mit der anfänglichen Magnetisierung ausgerichtet sind. In einigen Fällen kann es mehrere Sekunden (z. B. 10 Sekunden) dauern, bis die Hülle thermisches Gleichgewicht erreicht hat. Dies bedeutet, dass sich das NMR-System im Leerlaufzustand befindet, während die Hülle thermisches Gleichgewicht erreicht. Die ist ein spezifisches Problem bei NMR-Bohrlochvermessungen, wo Leerlaufzeit kostenträchtig ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Kurzdarstellung dient der Einführung in eine Auswahl von Konzepten, die nachstehend in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung ist nicht dafür vorgesehen, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des Gegenstands des Schutzbegehrens zu identifizieren, und sie ist ebenso wenig vorgesehen, als Hilfsmittel bei der Einschränkung des Schutzumfangs angewendet zu werden.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf Systeme und Verfahren zur Verarbeitung von Magnetresonanz-Signalen (MR-Signalen) gerichtet, wie Kernspinsignalen (NMR-Signalen). In einer spezifischen Ausführungsform kommt ein MR-Empfänger für die Verarbeitung von MR-Signalen, die von einer Substanz erhalten werden, zur Anwendung. Der MR-Empfänger umfasst einen Transformator, der das MR-Signal verstärkt, und einen Vorverstärker, der das MR-Signal vom Transformator empfängt. Der Vorverstärker umfasst eine Sourcefolgerstufe und eine Common-Source-Verstärkerstufe. In einigen Ausführungsformen folgt die Common-Source-Verstärkerstufe der Sourcefolgerstufe.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auch auf ein MR-System für die Verarbeitung von MR-Signalen gerichtet. Das System umfasst eine Spule zum Anlegen von MR-Impulssequenzen an eine Substanz und Empfangen von MR-Signalen von der Substanz. Das System umfasst außerdem einen Sender zur Bereitstellung der MR-Impulssequenzen an die Spule und einen Empfänger für den Empfang der MR-Signale von der Spule und zur Verarbeitung der MR-Signale. Der MR-Empfänger umfasst einen Transformator, der die MR-Signale verstärkt, und einen Vorverstärker, der das MR-Signal vom Transformator empfängt. Der Vorverstärker umfasst eine Sourcefolgerstufe und eine Common-Source-Verstärkerstufe.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sind auch auf einen MR-Empfänger zur Verarbeitung von MR-Signalen gerichtet. Der MR-Empfänger umfasst einen Transformator, der die MR-Signale verstärkt, und einen Vorverstärker, der die MR-Signale vom Transformator empfängt. Der MR-Empfänger umfasst auch ein Rückkopplungsnetzwerk, das an den Vorverstärker gekoppelt ist.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auch auf ein Verfahren zur Verarbeitung eines MR-Signals gerichtet. Das Verfahren umfasst Empfang des MR-Signals und Verstärkung des MR-Signals unter Anwendung eines Transformators. Das Verfahren umfasst ferner Durchleiten des MR-Signals durch eine Sourcefolgerstufe und weiteres Verstärken des MR-Signals durch Anwenden einer Common-Source-Verstärkerstufe.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile werden leichter erkennbar aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen:
1 zeigt ein Verfahren zur Anwendung einer NMR-Impulssequenz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt eine NMR-Impulssequenz mit mehreren Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt einen Bereich von Interesse innerhalb einer Substanz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt eine NMR-Impulssequenz mit mehreren Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 zeigt vier Hüllen, die aus einer Vier-Segmente-NMR-Impulssequenz in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erzeugt worden sind;
6 zeigt verschachtelte Hüllen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
7 zeigt eine Auftragung der summierten Echoamplitude gegen die Zeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
8 zeigt eine Auftragung der normalisierten Amplitude gegen Verzögerungszeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
9 zeigt eine Auftragung von Echoamplitude gegen Diffusionsgewichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
10 zeigt eine Auftragung von relativer Echoamplitude gegen Frequenzversatz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
11 zeigt einen Impuls mit einer Gaußschen Hüllkurve im Vergleich zu einem Rechteckimpuls in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
12 zeigt eine NMR-Impulssequenz mit dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
13 zeigt einen Bereich von Interesse innerhalb einer Substanz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
14 zeigt eine NMR-Impulssequenz mit dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
15 zeigt drei Hüllen, die von einer Drei-Segmente-NMR-Impulssequenz innerhalb einer Substanz von Interesse in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erzeugt worden sind;
16 zeigt eine NMR-Impulssequenz mit mehr als zwei dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
17 zeigt eine Auftragung der Signalamplitude gegen die Zeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
18 zeigt eine Mehrsegmentsequenz zur Bestimmung der T1-Relaxationszeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
19 zeigt eine simulierte Auftragung des Verhältnisses zwischen asymptotischer Echoamplitude und Echoerfassungszeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
20 zeigt eine gemessene Auftragung der asymptotischen Echoamplitude gegen Echoerfassungszeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
21 zeigt eine Mehrsegmentsequenz zur Bestimmung eines angewandten oszillierenden Felds (B₁) in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
22 zeigt eine Mehrsegmentsequenz zur Bestimmung eines angelegten oszillierenden Felds (B₁) in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
23 zeigt eine Mehrfachsegmentsequenz zur Bestimmung eines angelegten oszillierenden Felds (B₁) in Übereinstimmung mit einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
24 zeigt ein effektives On-Resonanz-Magnetfeld in einem rotierenden Rahmen eines off-resonanten Impulses in Übereinstimmung mit einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
25 zeigt eine Auftragung der Amplitude von asymptotischen Echos als Funktion verschiedener on-resonanter Impulslängen (T) und zwei Werten von off-resonanten Impulslängen (T_BS) in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
26 zeigt eine Auftragung der Amplitude von asymptotischen Echos als Funktion verschiedener on-resonanter Impulslängen (T) und zwei Werten von off-resonanten Impulslängen (T_BS) in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
27 zeigt eine Auftragung der gemessenem B-S-Phasenverschiebung bei einer „Dotierten Wasser”-Probe für verschiedene off-resonante Impulslängen (T_BS) in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
28 zeigt eine Auftragung einer normalisierten Echoamplitude als Funktion der Erregungsimpulslänge in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
29 zeigt eine Auftragung der gemessenen asymptotischen CPMG-Echos für eine Natriumprobe in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
30 zeigt eine Auftragung der gemessenen asymptotischen CPMG-Echos für eine Deuteriumprobe in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
31 zeigt eine Auftragung der gemessenen Proton- und Natrium-Tiefenprofile für eine Soleprobe in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
32A zeigt ein Breitband-NMR-Gerät in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
32B zeigt eine nicht-resonante NMR-Senderschaltung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
32C zeigt einen Breitband-NMR-Empfänger in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
32D zeigt einen Vorverstärker in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
32E zeigt einen Vorverstärker in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
33 zeigt ein Breitband-NMR-System für Anwendung von Mehrsegmentsequenzen auf eine Substanz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
34 zeigt ein drahtgebundenes System für Anwendung von Mehrsegmentsequenzen auf eine Substanz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
35 zeigt ein anderes drahtgebundenes System für Anwendung von Mehrsegmentsequenzen auf eine Substanz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
36 zeigt ein „Logging-while-drilling”-(LWD)-System für Anwendung von Mehrsegmentsequenzen auf eine Substanz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
37 zeigt ein LWD-NMR-Loggingmodul (Sondierungsmodul) für Anwendung von Mehrsegmentsequenzen auf eine Substanz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind für Systeme und Verfahren zur Verarbeitung von Magnetresonanz-Signalen (MR-Signalen), wie Kernspinresonanz-Signalen (NMR-Signalen), bestimmt. Bei spezifischen Ausführungsformen kommt ein NMR-Empfänger für die Verarbeitung von NMR-Signalen, die von einer Substanz erhalten worden sind, zur Anwendung. Der NMR-Empfänger umfasst einen Transformator, der das NMR-Signal verstärkt, und einen Vorverstärker für den Empfang des NMR-Signals vom Transformator. Der Vorverstärker umfasst eine Sourcefolgerstufe, der eine Common-Source-Verstärkerstufe folgt. Bei Anwendung dieser Konfiguration können verschiedene Ausführungsformen des NMR-Empfängers NMR-Signale über einen breiten Frequenzbereich empfangen und verarbeiten und gleichzeitig ein geringes Rauschen aufrechterhalten. Einzelheiten zu verschiedenen NMR-Empfängern und Impulssequenzen, die bei der Anwendung der Empfänger implementiert werden können, werden nachstehend diskutiert.
1 zeigt ein Verfahren 100 mit Anlegen einer NMR-Impulssequenz mit mehreren Segmenten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren 100 umfasst das Anlegen eines statischen Magnetfelds (B₀) an einen Bereich von Interesse innerhalb einer Substanz 102, wie einer Speicherformation, die Kohlenwasserstoffe enthält. Bei einigen Ausführungsformen wird ein inhomogenes Magnetfeld an die Substanz angelegt. Der Begriff „inhomogen” ist im Kontext der NMR-Technik zu betrachten. Viele Werkzeuge zur NMR-Bohrlochsondierung benutzen inhomogene statische Magnetfelder aufgrund der Begrenzungen und Einschränkungen in der Bohrlochumgebung. In diesem Zusammenhang ist unter einem inhomogenen statischen Magnetfeld ein statisches Magnetfeld zu verstehen, dass innerhalb eines Bereichs von Interesse der Substanz hinsichtlich Intensität oder Richtung variiert. In einem Beispiel kann ein inhomogenes statisches Magnetfeld innerhalb einer Hülle in Bezug auf die Intensität um einen Wert variieren, der ungefähr gleich groß wie oder größer als die nominelle HF-Magnetfeldamplitude (B₁) einer NMR-Impulssequenz ist, die an den Bereich von Interesse angelegt wird. Die Variation des inhomogenen statischen Feldes innerhalb einer Hülle ist proportional zur Intensität von B₁. Bei Rechteckimpulsen zum Beispiel beträgt die Variation ungefähr 2B₁. Wenn B₁ zunimmt, wird die Hülle dicker, und somit kommt es zu einer größeren Variation im statischen Feld innerhalb der Hülle.
Wenn das statische Magnetfeld an den Bereich von Interesse angelegt worden ist, umfasst das Verfahren das Anlegen einer NMR-Impulssequenz auf den Bereich von Interesse innerhalb der Substanz 104. In einigen Ausführungsformen ist die NMR-Impulssequenz eine Serie von Hochfrequenz-Impulsen (HF-Impulsen). 2 zeigt eine NMR-Impulssequenz 200 mit Mehrfach-Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die NMR-Impulssequenz 200 umfasst mindestens ein erstes Impulssequenzsegment 202 und ein zweites Impulssequenzsegment 204. Jedes Segment umfasst einen Erregungsimpuls 206, eine Folge von Refokussierimpulsen 208 und eine Folge von Echos 210. In verschiedenen Ausführungsformen haben die Erregungsimpulse eine Länge von T₉₀ und die Refokussierimpulse eine Länge von T₁₈₀. T₉₀ ist definiert als: T₉₀ = π/2(γ × B₁), wobei γ das gyromagnetische Verhältnis eines Kerns von Interesse und B₁ die maximale Amplitude eines angelegten zirkular polarisierten Magnetfelds in einem rotierenden Rahmen innerhalb des Bereichs von Interesse innerhalb der Substanz ist (z. B. ist in vielen Fällen B₁ die Hälfte der Amplitude des von einer Spule linear polarisierten Magnetfelds). T₁₈₀ ist definiert als: T₁₈₀ = π/(γ × B₁). Die Impulse weisen auch Amplituden auf, die typischerweise im Bereich zwischen 1 G (Gauss) und 10 G liegen. In einem spezifischen Beispiel sind die Sequenzsegmente 202, 204 Carr, Purcell, Meiboom und Gill-Sequenzen (CPMG). In verschiedenen anderen Ausführungsformen können die Sequenzsegmente 202, 204 Spinecho-, Inversionserholungs-, Sättigungserholung- und/oder stimulierte Echosequenzen sein. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind jedoch nicht auf solche spezifischen Sequenzen, Impulslängen und Amplituden beschränkt.
Wie in 2 dargestellt, wird das erste Segment 202 auf die Substanzen bei einem ersten Satz von Frequenzen (ω_RF1) und das zweite Segment 204 bei einem zweiten Satz von Frequenzen (ω_RF2) angewendet. Ein Durchschnittswert des ersten Frequenzsatzes unterscheidet sich von einem Durchschnittswert des zweiten Frequenzsatzes um den Wert von Δω_RF. In einigen Ausführungsformen ist der Frequenzunterschied (Δω_RF) so groß wie 10% des Durchschnittswertes des ersten Frequenzsatzes. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann der Frequenzunterschied sogar noch größer sein (z. B. 20%, 30% oder 50%). In einem spezifischen Beispiel beträgt die Frequenz eines ersten Impulssegments ungefähr 1 MHz, und das nächste Segment wird bei 0,5 MHz oder 0,75 MHz (z. B. Δω_RF/2π = 0,5 MHz oder 0,25 MHz) angewendet. In einem anderen spezifischen Beispiel ist der Frequenzunterschied ausreichend für ein Umschalten zwischen den resonanten Frequenzen von Wasserstoffkernen (¹H oder Protonen) und Natriumkernen (²³Na). Die Wasserstoffkerne und Natriumkerne können sich um einen Faktor von bis zu vier voneinander unterscheiden.
Der Begriff „Satz” von Frequenzen wird benutzt, da es sich bei der Frequenz innerhalb eines Impulssegments oder eines einzelnen Impulses nicht um eine einzelne Frequenz handeln muss. Die Frequenz innerhalb eines Impulssequenzsegments oder eines einzelnen Impulses kann über einen Satz von Frequenzen (z. B. über einen Bereich von Frequenzen) variieren. Zudem können auch resonante Signale, die innerhalb einer Hülle erzeugt werden, über einen Satz von Frequenzen variieren. Eine Bezugnahme innerhalb der vorliegenden Offenbarung auf eine spezifische Frequenz ist nicht als begrenzt auf diese spezifische Frequenz auszulegen, da diese Frequenz innerhalb eines Impulssequenzsegments oder auch eines einzelnen Impulses variieren kann.
Die auf die Substanz angewendete NMR-Impulssequenz 200 erzeugt resonante Signale innerhalb der Substanz. Die resonanten Signale setzen sich aus einer Folge von Echos zusammen. Das erste Impulssequenzsegment 202 wird ein erstes resonantes Signal innerhalb einer ersten Hülle erzeugen, während das zweite Impulssequenzsegment 204 ein zweites resonantes Signal innerhalb einer zweiten Hülle erzeugen wird. Eine „Hülle” ist eine Region der Substanz, die ein resonantes Signal als Antwort auf einen mit einem bestimmten Satz von Frequenzen angelegten NMR-Impuls produziert. In einem homogenen statischen Magnetfeld ist die Hülle breit über einen Bereich von Interesse innerhalb der Substanz, denn das Feld (B₀) ist konstant. In einem inhomogenen statischen Magnetfeld ändert sich das Feld über den Bereich von Interesse, und NMR-Impulssequenzen bei einer spezifischen Frequenz produzieren resonante Signale in einer begrenzten Region innerhalb des Bereichs von Interesse. Diese begrenzte Region wird nachfolgend als eine „Hülle” oder eine „Scheibe” bezeichnet.
3 zeigt einen Bereich von Interesse 300 innerhalb einer Substanz 302 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In 3 ist ein inhomogenes Magnetfeld 304 an den Bereich von Interesse 300 innerhalb der Substanz 302 angelegt. Wenn das erste Impulssequenzsegment 202 und das zweite Impulssequenzsegment 204 an den Bereich von Interesse 300 innerhalb der Substanz 302 angelegt werden, erzeugt die Substanz zwei resonante Signale mit zwei verschiedenen Frequenzen (z. B. Sätzen von Frequenzen). Das erste resonante Signal entsteht an einer ersten Hülle 306, und ein zweites resonantes Signal entsteht an einer zweiten Hülle 308 innerhalb des Bereichs von Interesse 300. Die beiden resonanten Signale haben unterschiedliche Frequenzen, weil das statische Magnetfeld 304 an jeder Stelle innerhalb des Bereichs von Interesse 300 der Substanz 302 verschieden ist. Die Frequenz jedes Signals lässt sich mithilfe folgender Gleichung bestimmen: ω₀ = γ × B₀ Gl. 1 darin bezeichnen B₀ die Stärke des statischen Magnetfelds 304, γ das gyromagnetische Verhältnis der Atomkerne von Interesse und wo die Frequenz des resonanten Signals, das von den Atomkernen erzeugt wird. Die Frequenz des resonanten Signals ist auch als Larmor-Frequenz bekannt. Bei einem Wasserstoffkern beträgt das gyromagnetische Verhältnis 4258 Hz/Gauss. Wenn unter Voraussetzung der in Gleichung 1 definierten Beziehung ein statisches Magnetfeld von 235 Gauss am Kern angelegt wird, wird die Frequenz des resultierenden Signals 1 MHz betragen.
NMR-Impulssequenzen werden typischerweise mehrfach an eine einzelne Hülle innerhalb der Substanz angelegt (z. B. N = 10, N = 100 oder N = 1000), um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen. Bei konventionellen NMR-Systemen wird typischerweise keine zweite NMR-Impulssequenz an der Hülle unmittelbar im Anschluss an eine erste NMR-Impulssequenz angelegt. Stattdessen verbleibt das System im Leerlaufzustand, bis die Hülle das thermische Gleichgewicht erreicht hat. Der herkömmlichen Anschauung nach kann ein Anlegen einer zweiten NMR-Sequenz, bevor die Hülle thermisches Gleichgewicht erreicht hat, zu Ungenauigkeiten bei der zweiten Messung führen. In einigen Fällen bleiben konventionelle Systeme über mehrere T₁-Zeitkonstanten im Leerlaufzustand, bevor das Anlegen von NMR-Sequenzen wieder aufgenommen wird. Wenn zum Beispiel die Substanz von Interesse Leichtöl enthält, kann die Leerlaufzeit so lang wie 10 Sekunden sein. Diese Leerlaufzeit verlängert die Messdauer, was bei der NMR-Bohrlochsondierung zu hohen Kosten führt und außerdem das je Zeiteinheit verfügbare SRV verringert.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung initiieren das zweite Impulssequenzsegment 204, bevor die erste Hülle 306 thermisches Gleichgewicht erreicht. Auf diese Weise werden bei verschiedenen Ausführungsformen die NMR-Messungen beschleunigt und das SRV verbessert. Wie aus 2 hervorgeht, umfasst das erste Impulssequenzsegment 202 einen Refokussierimpuls 208 und ein entsprechendes Echo 210, die mehrfach wiederholt werden (z. B. N_E = 10, N_E = 100, N_E = 1000), um eine Folge (z. B. Reihe) von Refokussierimpulsen und entsprechenden Echos zu bilden. Sobald das erste Impulssequenzsegment 202 vollständig ist, erreicht die erste Hülle 306 einen Punkt des thermischen Gleichgewichts 212 während einer Zeitdauer 214. Vor diesem Punkt des thermischen Gleichgewichts 212 wird das zweite Impulssequenzsegment 204 initiiert und an die zweite Hülle 308 angelegt. Der Begriff „thermisches Gleichgewicht” ist im Kontext der NMR-Technik zu betrachten. Viele NMR-Sondierwerkzeuge legen erst dann nachfolgende Impulssequenz an eine Hülle an, wenn der größte Teil der Kerne von Interesse innerhalb der Hülle auf die anfängliche Magnetisierung ausgerichtet ist, die durch das statische Magnetfeld induziert wird. Die Annäherung an das thermische Gleichgewicht erfolgt exponentiell. Die Annäherung kann ausgedrückt werden als M(t) = M(0)e^–t/T1 + M(∞)(1 – e^–t/T1), worin M(0) und M(∞) die anfängliche Magnetisierung beziehungsweise Magnetisierung im thermischen Gleichgewicht bezeichnen und t = 0 dem Ende des ersten Impulssequenzsegments 202 entspricht. Zu praktischen Zwecken wird angenommen, dass dieser unendlich lange Vorgang abgeschlossen ist, sobald der Terminus e^–t/T1 sehr klein ist (z. B. t ist wesentlich größer als T₁). In einem Beispiel wird angenommen, dass eine Hülle das thermische Gleichgewicht über eine Zeitperiode (z. B. 214) erreicht, die das Fünffache von T₁ beträgt, was in e^–t/T1 = 0.00674 resultiert. Die Zeitperiode beginnt, wenn die vorhergehende Impulssequenz (z. B. 202) abgeschlossen ist. In einem anderen spezifischen Beispiel ist die Zeitperiode (z. B. 214) kürzer als das Fünffache von T₁ (z. B. vier Mal T₁).
In Übereinstimmung mit dem in 1 gezeigten Verfahren 100 werden das erste resonante Signal, das an der ersten Hülle 306 erzeugt wird, und/oder das zweite resonante Signal, das an der zweiten Hülle 308 erzeugt wird, detektiert. Diese detektierten Signale können zur Bestimmung von NMR-Eigenschaften für die Substanz 302 (z. B. T₁ Relaxationszeit, T₂ Relaxationszeit, Diffusion und/oder eine Korrelationsfunktion solcher Eigenschaften) benutzt werden. Die NMR-Eigenschaften wiederum können zur Bestimmung von physikalischen Eigenschaften der Substanz, wie der chemischen Zusammensetzung der Substanz und/oder des Vorkommens einer festen Phase, einer flüssigen Phase und/oder einer gasförmigen Phase innerhalb der Substanz, benutzt werden.
4 zeigt eine NMR-Impulssequenz 400 mit mehreren Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In 4 umfasst die NMR-Impulssequenz 400 vier Impulssequenzsegmente. Ein erstes Segment 402 wird mit einem ersten Satz von Frequenzen (ω_RF1) an die Substanz angelegt, ein zweites Segment 404 wird mit einem zweiten Satz von Frequenzen (ω_RF2) an die Substanz angelegt, ein drittes Segment 406 wird mit einem dritten Satz von Frequenzen (ω_RF3) an die Substanz angelegt, und ein viertes Segment 408 wird mit einem vierten Satz von Frequenzen (ω_RF4) an die Substanz angelegt. Diese Frequenzen sind im Wesentlichen gleich der durchschnittlichen Larmor-Frequenz jeder Hülle, um die Resonanzbedingung (ω₀ = ω_RF) innerhalb jeder Hülle zu erfüllen. 5 zeigt vier Hüllen 504, 506, 508, 510, die von der Vier-Segment-NMR-Impulssequenz 400 innerhalb eines Bereichs von Interesse 500 der Substanz 502 erzeugt worden sind. In diesem Fall wird ein inhomogenes statisches Magnetfeld an den Bereich von Interesse 500 angelegt.
Wie aus 4 hervorgeht, wird das zweite Segment 404 initiiert, bevor die erste Hülle 504 einen Punkt des thermischen Gleichgewichts 410 erreicht. Das dritte Segment 406 wird initiiert, bevor die zweite Hülle 506 einen Punkt des thermischen Gleichgewichts 412 erreicht. Das vierte Segment 408 wird initiiert, bevor die dritte Hülle 508 einen Punkt des thermischen Gleichgewichts 414 erreicht. An diesem Punkt wird bei einigen Ausführungsformen die NMR-Messung angehalten. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen wird die NMR-Impulssequenz mehrfach (N Mal) wiederholt, und das erste Segment 402 wird initiiert, bevor die vierte Hülle 510 einen Punkt des thermischen Gleichgewichts 416 erreicht.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf zwei, drei oder vier Impulssequenzsegmente beschränkt. Ausführungsbeispiele der NMR-Impulssequenzen können fünf, sechs, neun oder mehr solcher Impulssequenzsegmente aufweisen.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auch auf Verfahren zur Vermeidung von Interaktion zwischen Hüllen gerichtet, denn Interaktionen zwischen Hüllen können Ungenauigkeiten bei der Messung verursachen. In einer solchen Ausführungsform sind NMR-Impulssequenzsegmente verschachtelt, um eine Interaktion zwischen Hüllen zu vermeiden. Eine NMR-Impulssequenz ist verschachtelt, wenn mindestens einige der Hüllen vorübergehend übersprungen werden, um Interaktion mit angrenzenden Hüllen zu vermeiden. 6 zeigt verschachtelte Hüllen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In diesem Fall wird eine NMR-Impulssequenz an einen Bereich von Interesse 600 innerhalb einer Substanz 602 angelegt. Die NMR-Sequenz umfasst sechs Impulssequenzsegmente, die bei sechs verschiedenen Frequenzen (ω_RF1, ω_RF2, ω_RF3, ω_RF4, ω_RF5 und ω_RF6) angelegt werden. Die sechs Impulssequenzsegmente erzeugen sechs Hüllen 604, 606, 608, 610, 612, 614 innerhalb des Bereichs von Interesse 600. Anstatt die Impulssequenzsegmente nach ansteigender Frequenz (z. B. ω_RF1, 604 → ω_RF2, 606 → ω_RF3, 608 → ω_RF4, 610 → ω_RF5, 612 → ω_RF6, 614) oder absteigender Frequenz geordnet (z. B. ω_RF6, 614 → ω_RF5, 612 → ω_RF4, 610 → ω_RF3, 608 → ω_RF2, 606 → ω_RF1, 604) anzulegen, werden die Hüllen vorübergehend übersprungen, um eine Interaktion mit angrenzenden Hüllen zu vermeiden. Die übergangenen Hüllen werden zu einem späteren Zeitpunkt analysiert. Nachstehend folgt eine nicht einschränkende Liste von verschachtelten Impulssequenzsegmenten:

• ω_RF1, 604 → ω_RF3, 608 → ω_RF5 612 → ω_RF2, 606 → ω_RF4, 610 → ω_RF6, 614
• ω_RF2 606 → ω_RF4, 610 → ω_RF6, 614 → ω_RF1, 604 → ω_RF3, 608 → ω_RF5, 612
• ω_RF1, 604 → ω_RF6, 614 → ω_RF2, 606 → ω_RF4, 610 → ω_RF3, 608 → ω_RF5, 612

Auf diese Weise können Impulssequenzsegmente verschachtelt werden, um eine Interaktion mit angrenzenden Hüllen zu vermeiden.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind NMR-Impulssequenzen unter Anwendung eines NMR-Systems an eine Substanz angelegt. In einigen Ausführungsbeispielen kann das NMR-System eine einzelne Spule umfassen. Auch die durch die NMR-Sequenzen erzeugten resonanten Signale werden von der Spule erkannt. Bei zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen umfasst das NMR-System eine Spule für das Anlegen von NMR-Impulssequenzen und eine andere Spule für das Erkennen resonanter Signale. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das NMR-System Breitband-NMR-Elektronik, die mit der Spule verschaltet ist. Die Breitband-Elektronik ist für die Übertragung einer NMR-Impulssequenz an die Spule und/oder den Empfang resonanter Signale, die von der Spule erkannt werden, konfiguriert. Weitere Einzelheiten zur Breitband-NMR-Elektronik gehen aus 32A, 32B, 32C, 32D und 32E hervor.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die detektierten resonanten Signal, die von der Breitband-Elektronik empfangen werden, zur Bestimmung verschiedener Eigenschaften der Substanz, wie einer NMR-Eigenschaft der Substanz, benutzt werden,. Bei der NMR-Eigenschaft kann es sich um eine oder mehrere von T₁ Relaxationszeit, T₂ Relaxationszeit, Diffusion und/oder eine Korrelationsfunktion solcher Eigenschaften handeln.
In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Eigenschaften für jede der Hüllen auf Basis der von der jeweiligen Hülle ausgehenden resonanten Signale bestimmt werden. Auf diese Weise kann für die Substanz ein Tiefenprofil bestimmt werden. Zum Beispiel kann in 6 die T₁ Relaxationszeit für jede Hülle 604, 606, 608, 610, 612, 614 bestimmt werden. Ein solches Profil stellt Information darüber bereit, wie sich die Eigenschaften der Substanz über den Bereich von Interesse 600 entlang einer Tiefendimension 616 ändern. In derartigen Ausführungsbeispielen beschleunigen die Mehr-Segment-Sequenzen vorteilhafterweise die Messung des Tiefenprofils durch Initiierung der nächsten Impulssequenz, bevor die vorhergehende Hülle thermisches Gleichgewicht erreicht.
In zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen sind die resonanten Signale von mehreren Hüllen (N_S) kombiniert. So können beispielsweise die Amplituden jedes resonanten Signals zueinander addiert werden. In einigen Fällen addieren sich die resonanten Signale kohärent über die Hüllen, während sich das Rauschen inkohärent addiert. Das kombinierte Signal wird zur Unterscheidung zwischen dem tatsächlichen resonanten Signal und dem Rauschen benutzt. Auf diese Weise verbessert die Kombination von Signalen das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV). Gemäß einer beispielhaften Maßnahme erhöht sich das SRV um einen Faktor der Quadratwurzel der Anzahl Impulssequenzsegmente
. Auf diese Weise verbessern beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung das SRV bei NMR-Messungen.
7 zeigt in einer Auftragung 700 die summierte Echoamplitude gegen die Zeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere zeigt die Auftragung eine summierte Amplitude für eine NMR-Impulssequenz mit vier Impulssequenzsegmenten an vier verschiedenen Hüllen (z. B. N_S = 4) im Vergleich zu einer NMR-Impulssequenz bei einer einzelnen Hülle. Die obere Kurve 702 bezeichnet die Summe der Vier-Hüllen-Sequenz, die zweite Kurve 704 die Einzel-Hüllen-Sequenz, und die unteren Kurven 706 sind Rauschkanäle. Das SRV für die Vier-Segment-Sequenz 702 war 303, während für die Einzel-Hüllen-Sequenz 704 das SRV 190 war. Die NMR-Sequenzen wurden auf eine „Dotierte Wasser”-Probe angewendet. Die „Dotierte Wasser”-Probe hatte eine T₂ Relaxationszeit von 120 ms. Die NMR-Impulssequenzen wurde mithilfe von Breitband-NMR-Elektronik auf die Probe angewendet, wie nachstehend beschrieben ist. Innerhalb der Vier-Segment-Sequenz wurde das erste Segment bei 2,0 MHz (z. B. ω_RF/2π = 2,0 MHz) angelegt, und der Frequenzunterschied zwischen den Segmenten betrug 10 kHz (z. B. Δω_RF/2π = 10 kHz = 5,6 ω₁). Ferner hatten die Erregerimpulse für jedes Segment eine Dauer von 140 μs (z. B. T₉₀ = 140 μs). Der Echoabstand zwischen jeder Hülle betrug 800 μs (z. B. T_E = 800 μs), und die Vier-Segment-Sequenz wurde vier Mal (z. B. N = 4) wiederholt. Das SRV für die Vier-Segment-Sequenz wurde beachtlich verbessert, obwohl die Gesamtzeit für das Anlegen der Vier-Segment-Sequenz ungefähr gleich der Gesamtzeit für das Anlegen der Einzel-Hüllen-Sequenz war. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in der Einzel-Hüllen-Sequenz eine Leerlaufzeit von 500 ms zwischen den Wiederholungen der Sequenz vorlag (z. B. Wartezeit T_W = 500 ms), wogegen keine Leerlaufzeit zwischen den Wiederholungen der Vier-Segment-Sequenz vorlag (z. B. T_W = 0 ms).
In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden Mehr-Segment-Sequenzen in 2D NMR-Messungen angewendet. In einem Ausführungsbeispiel wird jede unterschiedliche Hüllennummer (z. B. N_S) einer Mehr-Segment-Sequenz als eine indirekte Dimension (z. B. zweite Dimension) benutzt. Mit anderen Worten kann jede Hülle mit einem unterschiedlichen Wert einer indirekten Variablen, wie z. B. einer Verzögerung zwischen zwei Impulsen in der Impulssequenz, codiert werden. Auf diese Weise beschleunigen beispielhafte Ausführungsformen von Mehr-Hüllen-Sequenzen 2D NMR-Messungen (z. B. Diffusion und T₁ Relaxationszeit), da mindestens einige der Wartezeiten zwischen den Sequenzen aufgehoben werden können. Der Beschleunigungsfaktor kann bestimmt werden durch:
Darin ist T_W die Wartezeit zwischen Impulssequenzsegmenten, N_E die Anzahl der Refokussierimpulse und entsprechenden Echos innerhalb jedes Impulssequenzsegments und T_E der Echoabstand. In einigen Ausführungsformen ist T_W annähernd gleich dem dreifachen Wert von T₁, um eine Längsrelaxation der Hülle zu gestatten. Ebenfalls in einigen Ausführungsformen ist N_ET_E ungefähr gleich dem 1,26-fachen Wert von T₂, um das SRV zu maximieren. Unter Voraussetzung der in Gleichung 2 definierten Beziehung kann der Beschleunigungsfaktor bestimmt werden durch
8 zeigt eine Auftragung 800 der normalisierten Amplitude gegen die Verzögerungszeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere zeigt das Diagramm die normalisierte Amplitude für eine 2D NMR-Messung. Bei der Messung wurde eine Inversionserholungs-Sequenz für den Messvorgang T₁ benutzt, der durch Codieren jeder Hülle mit einer unterschiedlichen Erholungszeit beschleunigt wurde. Außerdem wurde bei der Messung eine Mehr-Segment-Sequenz mit sechs Impulssequenz-Segmenten bei sechs verschiedenen Hüllen (z. B. N_S = 6) benutzt. Die Impulssequenzsegmente wurden verschachtelt, um eine Interaktion zwischen Hüllen zu reduzieren. Die Impulssequenzsegmente wurden auf folgende Weise verschachtelt: ω_RF1, → ω_RF3, → ω_RF5, → ω_RF2, → ω_RF4, → ω_RF6. Die Sequenz hatte keine Leerlaufzeit zwischen Segmenten.
The 2D NMR-Messung wurde auf eine „Dotierte Wasser”-Probe angewendet. Die „Dotierte Wasser”-Probe hatte eine T₂ Relaxationszeit von 120 ms. Die NMR-Impulssequenzen wurden unter Anwendung von Breitband-NMR-Elektronik auf die Probe angewendet. Das erste Impulssequenzsegment wurde bei 1,25 MHz (z. B. ω_RF/2π = 1,25 MHz) angewendet, und der Frequenzunterschied zwischen den Impulssequenzsegmenten betrug 13 kHz (z. B. Δω_RF/2π = 13 kHz = 4,4 ω₁). Außerdem hatten die Erregungsimpulse für jedes Segment eine Dauer von 90 μs (z. B. T₉₀ = 90 μs). Der Echoabstand zwischen jeder Hülle betrug 1 ms (z. B. T_E = 1 ms), und die Impulssequenz wurde 128-mal (z. B. N = 128) wiederholt. Die 2D NMR-Messung bestimmt den Wert von T₁ ausgehend von Zerfallsdaten, wie im Beispiel in 8 gezeigt. In diesem Beispiel ist T₁ gleich 125 ms.
9 zeigt eine Auftragung 900 der Echoamplitude gegen Diffusionsgewichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere zeigt die Auftragung die Echoamplitude für eine andere 2D NMR-Messung an drei verschiedenen Stellen innerhalb einer Probe. Bei der Messung wurde eine Niedriggradienten-Diffusionsediting-Sequenz (LG-DE) für die Messung eines molekularen Diffusionskoeffizienten benutzt. Die LG-DE-Sequenz wurde durch Codierung jeder Hülle mit einer unterschiedlichen Diffusionszeit beschleunigt. Bei der Messung wurde eine Mehr-Segment-Sequenz mit Sechs-Impulssequenz-Segmenten an sechs verschiedenen Hüllen (z. B. N_S = 6) benutzt. Die Impulssequenzsegmente wurde außerdem auf folgende Weise verschachtelt: ω_RF1, → ω_RF3, → ω_RF5, → ω_RF2, → ω_RF4, → ω_RF6. In diesem Fall hatte die Sequenz eine Leerlaufzeit von 5 ms zwischen den Segmenten. Eine solche geringe Verzögerung kann Artefakte in der Zerfallskurve dadurch reduzieren, dass sichergestellt wird, dass die Diffusion mindestens einen Teil der Quermagnetisierung aufgehoben wird, bevor die nächste Hülle erregt wird. Während der Messung wurde eine Dummyhülle (z. B. von der ersten Hülle durch die normale Hüllenseparation abgetrennt) erregt, bevor die erste Hülle erregt wurde. Eine Dummyhülle reduziert ferner Artefakte in der Zerfallskurve, indem sie sicherstellt, dass alle Hüllen durch die vorhergehenden Erregungen gleichmäßig verdorben werden.
Die 2D NMR-Messung wurde bei einer „Dotierten Wasser”-Probe an drei verschiedenen Stellen angewendet. Die „Dotierte Wasser”-Probe hatte eine T₂ Relaxationszeit von 120 ms. Die NMR-Impulssequenzen wurden unter Anwendung von Breitband-NMR-Elektronik angewendet. Die ersten Impulssequenzsegmente wurden bei folgenden Frequenzen angelegt: 1,51 MHz; 1,30 MHz; 1,01 MHz (z. B. ω_RF/2π = 1,51 MHz; ω_RF/2π = 1,30 MHz; ω_RF/2π = 1,01 MHz). Der Frequenzunterschied zwischen den Impulssequenzsegmenten betrug 10 kHz (z. B. Δω_RF/2π = 10 kHz). Außerdem hatten die Erregungsimpulse für jedes Segment an den drei verschiedenen Stellen eine Dauer von 105 μs, 87,5 μs und 70 μs (z. B. T₉₀ = 105 μs; T₉₀ = 87,5 μs; T₉₀ = 70 μs). Der Echoabstand innerhalb jeder Hülle betrug 1 ms (z. B. T_E = 1 ms), und die Impulssequenz wurde 128-mal wiederholt (z. B. N = 128). Wie in 9 gezeigt, bestimmt die 2D NMR-Messung einen korrekten Wert für einen Diffusionskoeffizienten (D). Der Wert zeigt auch, dass die Messungen unabhängig von der Lamor-Nennfrequenz des Probe waren (z. B. der Stelle der Messung innerhalb der Probe). Weitere Messungen zeigten ähnlich günstige Resultate für weiter auseinanderliegende Stellen innerhalb der Probe.
10 zeigt in einer Auftragung 1000 die relative Echoamplitude gegen Frequenzversatz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere zeigt die Auftragung das gemessene „Verderben” zwischen angrenzenden Hüllen für Rechteckimpulse als Funktion des Frequenzversatzes. Die Dicke einer Hülle wird mindestens teilweise durch die Längsmagnetisierung der Kerne innerhalb der Hülle definiert. Beim Anlegen von NMR-Sequenzen ist es in vielen Fällen erheblich einfacher, die Längsmagnetisierung aufzuheben als die erforderliche Quermagnetisierung zu erzeugen. Aus diesem Grund erzeugen gewöhnliche Impulssequenzen, wie CPMG-Sequenzen, „Löcher” in der Längsmagnetisierung, die weit größer sind als die Hüllen, von denen sie detektierbare resonante Signale erzeugen. Solches „Lochbrennen” oder „Verderben” begrenzt den Mindestabstand zwischen angrenzenden Hüllen. Die Auftragung in 10 zeigt das gemessene „Verderben” zwischen angrenzenden Hüllen für Rechteckimpulse als Funktion des Frequenzversatzes. Die Messung wurde unter Anwendung einer Serie von CPMG-Sequenzen durchgeführt, die bei verschiedenen Frequenzversatzwerten (z. B. Δω_RF) angelegt wurden. Die Messung wurde an einer „Dotierten Wasser”-Probe mit einer T₂-Relaxationszeit von 120 ms vorgenommen. Außerdem wurden die Impulssequenzen unter Anwendung von Breitband-NMR-Elektronik angewendet. 10 zeigt, dass ein Frequenzversatz Δω₀ zwischen Hüllen von mehr als viermal ω₁ weniger als 10% Verderben bewirkt, wenn ω₁ = γB₁. Außerdem liegt sehr wenig Verderben für Frequenzversatzwerte vor, die größer sind als 8-faches ω₁. Bei 90-Grad-Rechteckimpulsen und 180-Grad-Rechteckimpulsen liegt null Verderben vor, wenn die resonante Versatzfrequenz den mithilfe von Gleichung 4 bzw. 5 bestimmten Wert hat.
worin n eine Ganzzahl ist (z. B. 1, 2, ...).
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können solche Interaktionen zwischen Hüllen durch die Anwendung geformter Impulse, die sich schrittweise ein- und ausschalten, reduziert werden. In einem solchen Beispiel reduzieren Impulse mit Gaußschen Hüllen die Menge des Verderben und Lochbrennens zwischen Hüllen. 11 zeigt einen Impuls mit einer Gaußschen Hülle 1100 im Vergleich zu einem Rechteckimpulse 1102 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Auf diese Weise reduzieren beispielhafte Ausführungsformen Interaktionen zwischen Hüllen.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf Mehr-Segment-Sequenzen gerichtet, die die Effizienz von NMR-Messungen (z. B. verschachtelte Sequenzen) weiter verbessern. In diesem Sinne wenden verschiedene Ausführungsformen mindestens zwei Impulssequenzsegmente auf eine Substanz an. Die NMR-Impulssequenzsegmente werden bei zwei verschiedenen Frequenzen angewendet und zwischen einander gelegt. Auf diese Weise führen verschiedene dazwischen liegende Sequenzen Messungen parallel durch, während bei vielen konventionellen Systemen die Messungen nacheinander durchgeführt werden.
12 zeigt eine NMR-Impulssequenz 1200 mit dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die NMR-Impulssequenz 1200 umfasst mindestens ein erstes Impulssequenzsegment 1202 und ein zweites Impulssequenzsegment 1204. Jedes Segment umfasst einen Erregungsimpuls 1206, eine Serie von Refokussierimpulsen 1208 und eine Serie von Echos 1210. In verschiedenen Ausführungsformen haben die Erregungsimpulse eine Länge von T₉₀ und die Refokussierimpulse eine Länge von T₁₈₀. Die Impulse haben auch Amplituden, die typischerweise im Bereich zwischen 1 G und 10 G liegen. In einem spezifischen Beispiel sind die Sequenzsegmente 1202, 1204 CPMG-Sequenzen. In verschiedenen anderen Ausführungsformen können die Sequenzsegmente 202, 204 Spinecho, Inversionserholung, Sättigungserholung und/oder angeregte Echosequenzen sein. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind jedoch nicht auf solche spezifische Sequenzen, Impulslängen und Amplituden beschränkt.
Wie in 12 dargestellt, ist das zweite Segment 1204 innerhalb des ersten Segments 1202 eingeschoben. Mit anderen Worten tritt mindestens ein Impuls oder detektiertes Echo des zweiten Sequenzsegments 1204 auf, bevor das erste Impulssequenzsegment 1202 vollständig ist. Das erste Segment 1202 wird auf die Substanz mit einem ersten Satz von Frequenzen (ω_RF1) auf die Substanz angewendet, und das zweite Segment 1204 wird mit einem zweiten Satz von Frequenzen (ω_RF2) auf die Substanz angewendet. Ein Durchschnittswert des ersten Satzes von Frequenzen und ein Durchschnittswert des zweiten Satzes von Frequenzen unterscheiden sich durch eine Differenz von Δω_RF· voneinander. In einigen Ausführungsformen ist die Frequenzdifferenz von Δω_RF so groß wie 10% der ersten Frequenz. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann die Frequenz noch höher sein (z. B. 20% 30% oder 50%).
Die NMR-Impulssequenz 1200 erzeugt bei Anwendung auf die Substanz resonante Signale innerhalb der Substanz. Die resonanten Signale setzen sich aus einer Serie von Echos zusammen. Das erste Impulssequenzsegment 1202 erzeugt ein erstes resonantes Signal in einer ersten Hülle, während das zweite Impulssequenzsegment 1204 ein zweites resonantes Signal in einer zweiten Hülle erzeugt.
13 zeigt einen Bereich von Interesse 1300 innerhalb einer Substanz 1302 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In 13 wird ein inhomogenes Magnetfeld 1304 bei einem Bereich von Interesse 1300 innerhalb einer Substanz 1302 angelegt. Wenn das erste Impulssequenzsegment 1202 und das zweite Impulssequenzsegment 1204 an den Bereich von Interesse 1300 innerhalb der Substanz 1302 angelegt werden, erzeugt die Substanz zwei resonante Signale mit zwei verschiedenen Frequenzen (z. B. Sätzen von Frequenzen). Das erste resonante Signal entsteht an einer ersten Hülle 1306, und ein zweites resonantes Signal entsteht an einer zweiten Hülle 1308 innerhalb des Bereichs von Interesse 1300. Die zwei resonanten Signale haben unterschiedliche Frequenzen, da das statische Magnetfeld 1304 an jeder Stelle innerhalb des Bereichs von Interesse 1300 innerhalb der Substanz 1302 verschieden ist. Die Frequenz jedes Signals kann durch Anwendung von z. B. Gleichung 1 bestimmt werden, worin B₀ die Stärke des statischen Magnetfelds 1304, γ das gyromagnetische Verhältnis der Atomkerne von Interesse und wo die Frequenz des resonanten Signals ist, das von den Atomkernen erzeugt wird.
Das erste resonante Signal und das zweite resonante Signal werden detektiert. Diese detektierten Signale können zur Bestimmung der NMR-Eigenschaften für die Substanz 1302 (z. B. T₁ Relaxationszeit, T₂ Relaxationszeit und/oder Diffusion) benutzt werden. Die NMR-Eigenschaften wiederum können zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Substanz, wie chemische Zusammensetzung der Substanz und/oder Vorkommen von fester Phase und/oder flüssiger Phase innerhalb der Substanz benutzt werden.
14 zeigt eine NMR-Impulssequenz 1400 mit dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In 14 enthält die NMR-Impulssequenz 1400 drei Impulssequenzsegmente. Ein erstes Segment 1402 wird an die Substanz mit einem ersten Satz von Frequenzen (ω_RF1) angelegt, ein zweites Segment 1404 wird an die Substanz mit einem zweiten Satz von Frequenzen (ω_RF2) angelegt, und ein drittes Segment 1406 wird an die Substanz mit einem dritten Satz von Frequenzen (ω_RF3) angelegt. Jedes des zweiten Segments 1404 und dritten Segments 1406 sind innerhalb des ersten Segments 1402 eingelegt. Eine solche NMR-Impulssequenz 1400 erzeugt resonante Signale innerhalb von drei Hüllen. 15 zeigt drei Hüllen 1504, 1506, 1508, die von der Drei-Segment-NMR-Impulssequenz 1400 innerhalb des Bereichs von Interesse 1500 innerhalb einer Substanz 1502 erzeugt werden. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf zwei oder drei dazwischen liegende Impulssequenzsegmente beschränkt. Ausführungsbeispiele können 4, 5, 9 oder mehr dazwischen legende Impulssequenzsegmente umfassen.
16 zeigt eine NMR-Impulssequenz 1600 mit einer größeren Anzahl als zwei dazwischen legenden Impulssequenzsegmenten in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung. Die NMR-Impulssequenz 1600 umfasst eine Anzahl von Impulssequenzsegmenten (N_S). Jedes Segment enthält einen Erregerimpuls 1602, eine Serie von Refokussierimpulsen 1604 und eine Serie von Echos 1606. Die Sequenzsegmente werden mit verschiedenen Frequenzen an die Substanz angelegt. In dem in 16 gezeigten, spezifischen Beispiel ist die Frequenz des n-ten Segments vorgegeben durch ω_RF + (n – 1)Δω_RF, wobei Δω_RF die Separation zwischen angrenzenden Hüllen bezeichnet und 1 ≤ n ≤ N_S. In verschiedenen anderen Ausführungsformen ist die Separation zwischen Hüllen nicht konstant und variiert.
Außerdem können in einer spezifischen Ausführungsform die Längen der Refokussierimpulse und die Verzögerungen zwischen den Refokussierimpulsen als ganzzahlige Vielfache von 1/(Δω_RF) festgelegt werden, um die Phasenkohärenz innerhalb jeder Hülle aufrechtzuerhalten. In zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen kann die Phasenkohärenz durch ausdrückliches Nachverfolgen der Phase jeder Hülle in einem rotierenden Rahmen und entsprechendes Modulieren der Phase der Refokussierimpulse aufrechterhalten werden.
Wie in 16 dargestellt, werden Echos von jeder Hülle zeitlich sequentiell (z. B. durch T_S separiert, wobei T_S die Länge jedes Refokussierintervalls und Erregerintervalls ist) gebildet. In Anbetracht dieses Phänomens können die Echos anhand deren zeitlichen Platzierung voneinander unterschieden werden. In zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen können die Echos auf Basis ihres Frequenzgehalts voneinander unterschieden werden.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auch auf ein Kompensieren der Bloch-Siegert-Phasenverschiebung (B-S-Verschiebung) gerichtet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass dazwischen liegende Impulssequenzsegmente mit unterschiedlichen Frequenzen durch die B-S-Phasenverschiebung nachteilig beeinflusst werden können. Insbesondere kann die B-S-Phasenverschiebung ein schnelles Abklingen des Signals verursachen, wenn eine NMR-Impulssequenz mit dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten angelegt wird. Um dieses schnellen Abklingen des Signals zu verhindern, kann die B-S-Phasenverschiebung durch Phasenverschiebungserregerimpulse für das zweite und nachfolgende Impulssequenzsegment (z. B. N_S > 1) korrigiert werden. In anderen Worten wird jeder Erregerimpuls, der nach dem ersten Erregerimpuls angelegt wird, mit einer verschobenen Phase angelegt. In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform wird das Zeitintervall zwischen jedem Erregerimpuls variiert, um der B-S-Verschiebung innerhalb einer einzelnen Hülle Rechnung zu tragen. Einzelheiten zu diesen Korrekturen werden nachstehend bereitgestellt.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die zeitliche Abstimmung eines Impulssequenzsegments auf solche Weise angeglichen, dass die zwischen dem Erregerimpuls und dem ersten Refokussierimpuls akquirierte Phase etwa die Hälfte der in jedem Refokussierzyklus akquirierten Phase beträgt. In einigen Ausführungsformen ist diese Phase proportional der Lamor-Frequenz und kann durch folgende Gleichung bestimmt werden: φ_L = γω_RFT_E Gl. 6 worin γ das gyromagnetische Verhältnis eines Kerns von Interesse, die Frequenz des Impulssequenzsegments und T_E der Echoabstand ist. Wenn mehrere Impulssequenzsegmente gleichzeitig auf verschiedenen Hüllen laufen, kompensieren verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Interaktionen zwischen den Hüllen, die sich aus der B-S-Verschiebung ergeben. In einem Beispiel wird ein erstes Impulssequenzsegment mit einer ersten Frequenz ω_RF1 an die Substanz angelegt, und ein zweites Impulssequenzsegment mit einer zweiten Frequenz ω_RF2 wird an die Substanz angelegt. Eine Abweichung Δω_RF zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz induziert eine zusätzliche Phasenverschiebung bei der Quermagnetisierung. Diese so genannte Bloch-Siegert-Verschiebung wird hierin als φ_BS bezeichnet. In Fällen, wo Δω_RF viel größer ist (z. B. größer als 2ω₁) als die Frequenz ω₁, kann die Phasenverschiebung für On-Resonanz-Magnetisierung nach folgender Gleichung bestimmt werden:
worin θ der Nennkippwinkel des Impulses ist. Der Nennkippwinkel kann wie folgt bestimmt werden: θ = γ2πt_p Gl. 8 worin t_p die Dauer des Impulses und γ das gyromagnetische Verhältnis des Kerns von Interesse ist.
Die in 19 gezeigte NMR-Impulssequenz umfasst eine Vielzahl von dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten (N_S). Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kompensieren die B-S-Phasenverschiebung durch Modulieren der Phase und/oder zeitlicher Abstimmung der Erregerimpulse innerhalb der Vielzahl von dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten. Die Phasenverschiebung für einen Spin in einer Hülle besteht aus der Standard-Lamor-Phasenverschiebung zwischen zwei refokussierenden Impulsen. Diese Phasenverschiebung kann durch Hinzufügen des Resultats aus Gleichung 6 zu den Phasenverschiebungen, die durch die Impulssequenzsegmente (z. B. N_S – 1) induziert worden sind, die auf die vorhergehenden Hüllen angewendet worden waren. Für das Impulssequenzsegment, das an die erste Hülle angelegt wurde, verbleibt die Phasenverschiebung zwischen dem Erregerimpuls und dem ersten Refokussierimpuls die Hälfte der Gesamtphasenverschiebung, da die B-S-Phasenverschiebung proportional der Impulsdauer ist. In einem Beispiel ist die B-S-Phasenverschiebung proportional der Impulsdauer, wenn die Refokussierimpulse zweimal so lang sind und die gleiche Amplitude haben wie der Erregerimpuls (z. B. betragen die Erregerimpulse 90 Grad und die Erregerimpulse 180 Grad).
Für ein zweites Impulssequenzsegment, das an einer zweiten Hülle angelegt wird, wird diese Proportionalität nicht erfüllt. Während des Zeitintervalls zwischen dem Anlegen des Erregerimpulses des zweiten Impulssequenzsegments und dem ersten Refokussierimpuls des zweiten Impulssequenzsegments wird ein Refokussierimpuls als Teil des ersten Impulssequenzsegments an die erste Hülle angelegt. Dieser Refokussierimpuls hat nachteiligen Einfluss auf das zweite Impulssequenzsegment. Wenn es sich bei dem Refokussierimpuls um einen 180-Grad-Impuls handelt, ist die zugeordnete B-S-Phasenverschiebung doppelt so lang, verglichen mit dem 90-Grad-Erregerimpuls. Die Gesamtphasenverschiebung, die vom ersten Impulssequenzsegment und der ersten Hülle verursacht wird, kaum wie folgt bestimmt werden:
Das erste Impulssequenzsegment und das zweite Impulssequenzsegment erzeugen ebenfalls Phasenverschiebungen, die jedes potentielle dritte Impulssequenzsegment beeinflussen. Darüber hinaus wird jedes nachfolgende Impulssequenzsegment durch die Phasenverschiebungen beeinflusst, die von den vor dem nachfolgenden Segment angelegten Segmenten erzeugt worden sind. Diese Phasenverschiebungen können durch Bestimmen und Summieren des Phasenverschiebungsbeitrags von jedem vorhergehenden Impulssequenzsegment kompensiert werden. Die nachstehende Gleichung 10 kann zur Bestimmung der Gesamtphasenverschiebung für eine Mehrzahl von vorhergehenden Impulssequenzsegmente benutzt werden:
Die Ganzzahl k ist das Impulssequenzsegment von Interesse, und (k – 1) ist die Anzahl von Impulssequenzsegmenten, die zur Gesamtphasenverschiebung beitragen. Durch Anwendung der Gleichung 10 kann die B-S-Phasenverschiebung korrigiert werden, indem der Standard-Erregerimpuls (z. B. 90_x) innerhalb des k-ten Impulssequenzsegments durch einen Erregerimpuls ersetzt wird, der eine modulierte Phase aufweist. In einer besonderen Ausführungsform wird der Erregerimpuls durch die Gesamtphasenverschiebung moduliert, die von den vorhergehenden Impulssequenzsegmenten erzeugt worden sind. In anderen Worten ist die Phase des Erregerimpulses innerhalb des k-ten Impulssequenzsegments gleich der Phase des Erregerimpulses im ersten Segment abzüglich des Resultats der Gleichung 10 (z. B. 90 – Δϕ_BS,k).
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auch auf die Korrektur für die B-S-Phasenverschiebung gerichtet, wenn die Phasenverschiebung innerhalb einer einzelnen Hülle nicht konstant ist. Gleichung 9 zeigt, dass die B-S-Phasenverschiebung innerhalb einer Hülle variieren kann, weil die Versatzfrequenz (Δω_RF) linear über die Hülle variiert. Dieses Phänomen kann durch Vertauschen der Position des Erregerimpulses für das k-te Impulssequenzsegment durch folgende Gleichung aufgegriffen werden:
In Gleichung 11 steht t_π für die Länge des Erregerimpulses innerhalb des ersten Impulssequenzsegments. Auf diese Weise kann die B-S-Phasenverschiebung durch Austauschen des Standard-Zeitintervalls (T_P) zwischen den Erregerimpulsen innerhalb der ersten und zweiten Segmente gegen ein Zeitintervall (T_P), das variiert ist, korrigiert werden. In einer besonderen Ausführungsform wird das anfängliche Zeitintervall (T_P) durch das Resultat von Gleichung 11 (z. B. δ_Tk) moduliert. In anderen Worten ist das Zeitintervall zwischen dem Erregerimpuls im k-ten Impulssequenzsegment und der Erregerimpuls des nächsten Impulssequenzsegments gleich dem anfänglichen Zeitintervall (T_P) zuzüglich des Resultats von Gleichung 11 (z. B. δ_Tk). Auf diese Weise wird durch verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung der B-S-Phasenverschiebung innerhalb dazwischen liegender Impulssequenzsegmente Rechnung getragen.
In verschiedenen Ausführungsformen werden die hierin beschriebenen Mehr-Segment-Sequenzen bei einer Vielzahl verschiedener Frequenzen angelegt. Bei einigen Ausführungsformen sind die Segmente innerhalb jeder Sequenz dazwischen gelegt. Für das Anwenden der Sequenzen und Detektieren resonanter Signale sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf NMR-Elektronik gerichtet, die für ein Umschalten zwischen einem Sendemodus und einem Empfangsmodus konfiguriert ist. Innerhalb des Sendemodus ist die Elektronik ferner konfiguriert, um zwischen verschiedenen Frequenzen umschalten zu können, so dass die Spule Impulssequenzsegmente bei unterschiedlichen Frequenzen anwenden kann. Im Empfangsmodus ist die Elektronik konfiguriert, um zwischen verschiedenen Frequenzen umschalten zu können, so dass die Spule und Elektronik resonante Signale bei verschiedenen Frequenzen detektieren können. In verschiedenen Ausführungsformen wird das Umschalten von Frequenzen nach einem besonderen Schema durchgeführt.
14 zeigt ein Umschaltschema 1412 für die NMR-Impulssequenz 1400 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Im spezifischen Beispiel beginnt das Umschaltschema 1412 mit einem ersten Satz von Zeitintervallen 1414. Während des ersten Satzes von Zeitintervallen 1414 ist die Breitband-NMR-Elektronik auf einen Sendemodus gesetzt. Der erste Satz von Zeitintervallen enthält vier Zeitintervalle 1416, 1418, 1420, 1422. Während des ersten Zeitintervalls 1416 ist die Elektronik auf eine erste Frequenz (ω_RF1) gesetzt, so dass die Spule den ersten Erregerimpuls 1406 des ersten Impulssequenzsegments 1402 anlegen kann. Während des zweiten Zeitintervalls 1418 ist die Elektronik auf eine zweite Frequenz (ω_RF2) gesetzt, so dass die Spule den ersten Erregerimpuls 1406 eines zweiten Impulssequenzsegments 1404 anlegen kann. Während des dritten Zeitintervalls 1418 ist die Elektronik auf die erste Frequenz (ω_RF1) gesetzt, so dass die Spule den ersten Refokussierimpuls 1408 des ersten Impulssequenzsegments 1402 anlegen kann. Während des vierten Zeitintervalls 1422 ist die Elektronik auf die zweite Frequenz (ω_RF2) gesetzt, so dass die Spule den ersten Refokussierimpuls 1408 des zweiten Impulssequenzsegments 1404 anlegen kann. Wie vorstehend erläutert muss die Frequenz (z. B. ω_RF1) innerhalb eines Impulssegment oder eines einzelnen Impulses nicht eine einzelne Frequenz sein. Die Frequenz innerhalb eines Impulssequenzsegments oder eines einzelnen Impulses kann über einen Satz von Frequenzen (z. B. einen Bereich von Frequenzen) variieren.
Im Anschluss an den ersten Satz von Zeitintervallen 1414 beginnt ein zweiter Satz von Zeitintervallen 1424. Die Breitband-NMR-Elektronik schaltet während des zweiten Satzes von Zeitintervallen 1424 um auf einen Betriebsmodus für Empfang. Der zweite Satz 1424 enthält zwei Zeitintervalle 1426, 1428. Das erste Zeitintervall 1426 ist dem Detektieren eines resonanten Signals an der ersten Frequenz (ω_RF1) zugeordnet, das vom ersten Impulssequenzsegment 1402 (z. B. innerhalb der ersten Hülle) erzeugt wird. In der in 14 gezeigten Ausführungsform ist ein einzelnes Echo 1410 an der ersten Frequenz detektiert worden. Das zweite Zeitintervall 1428 ist dem Detektieren eines resonanten Signals an der zweiten Frequenz (ω_RF2) zugeordnet, das vom zweiten Impulssequenzsegment 1404 (z. B. innerhalb der zweiten Hülle) erzeugt wird. Wiederum wird ein einzelnes Echo 1410 an der zweiten Frequenz detektiert.
Daraufhin folgt ein dritter Satz von Zeitintervallen 1430. Die Breitband-NMR-Elektronik schaltet während des dritten Satzes von Zeitintervallen 1430 zurück auf einen Betriebsmodus für Senden. Während dieses Satzes von Zeitintervallen 1430 wird ein weiterer Refokussierimpuls 1408 an jede der zwei verschiedenen Frequenzen (z. B. ω_RF1 und ω_RF2) angelegt. Danach folgt ein vierter Satz von Zeitintervallen 1432. Während des vierten Satzes von Zeitintervallen 1432 schaltet die Breitband-NMR-Elektronik um auf einen Betriebsmodus für Empfang. Während des viertes Satzes von Zeitintervallen 1432 werden resonante Signale (z. B. Echos) 1410 an jeder der zwei verschiedenen Frequenzen (z. B. ω_RF1 und ω_RF2) detektiert. Die dritten und vierten Sätze von Zeitintervallen 1430, 1432 können mehrfach (z. B. N_E = 10, N_E = 100 und N_E = 1000) wiederholt werden, bis die NMR-Impulssequenz das Ende erreicht. In einigen Ausführungsformen haben die Zeitintervalle gleiche Längen über das Umschaltschema. In anderen Ausführungsformen haben die Zeitintervalle variierende Längen. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Zeitintervalle mindestens so lang wie der Erregerimpuls und/oder Refokussierimpuls, den sie zuordnungsgemäß anzuwenden haben. Auch sind die Zeitintervalle mindestens so lang wie die Echos, die sie zuordnungsgemäß zu detektieren haben. In weiteren Ausführungsformen ist die Länge der Zeitintervalle nicht größer als 1 ms. In noch anderen Ausführungsformen ist die Länge der Zeitintervalle nicht größer als 100 μs.
14 und 16 zeigen zwei Umschaltschemata 1408, 1608 für NMR-Impulssequenzen 1400, 1600 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In 14 moduliert das Umschaltschema 1408 auch zwischen einem Sendemodus 1410 und einem Empfangsmodus 1412. In diesem Fall schaltet die Breitband-NMR-Elektronik zwischen drei verschiedenen Frequenzen (z. B. ω_RF1, ω_RF2 und ω_RF3). Auf gleiche Weise moduliert in 16 das Umschaltschema 1608 ebenfalls zwischen einem Sendemodus 1610 und einem Empfangsmodus 1612, und innerhalb jedes Modus schaltet die Breitband-NMR-Elektronik um zwischen einer Anzahl von N_S verschiedenen Frequenzen (z. B. ω_RF1, ω_RF2, ω_RF3, ... ω_RFNs). Auf diese Weise legen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Impulssequenzsegmente mit verschiedenen Frequenzen an und detektieren resonante Signale von mehreren verschiedenen Hüllen innerhalb der Substanz.
17 zeigt in einer Auftragung 1700 die gemessene Signalamplitude gegen die Zeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere zeigt 17 asymptotische Echos, die für eine NMR-Sequenz mit zwei dazwischen liegenden Impulssequenzsegmenten (z. B. N_S = 2) detektiert wurden. Die Segmente erzeugten resonante Signale innerhalb von zwei Hüllen einer „Dotierten-Wasser”-Probe. Die „Dotierte-Wasser”-Probe hatte eine T₂ Relaxationszeit von 120 ms. Die zwei dazwischen liegenden Impulssequenzsegmente wurden mithilfe von Breitband-NMR-Elektronik an die Probe gelegt. Das erste Impulssequenzsegment wurde bei 2,0 MHz (z. B. ω_RF/2π = 2,0 MHz) angelegt, und die Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Impulssequenzsegment und dem zweiten Impulssequenzsegment betrug 20 kHz (z. B. Δω_RF/2π = 20 kHz = 11,8 ω₁). Auch die Erregerimpulse für jedes Segment hatten eine Dauer von 140 μs (z. B. T₉₀ = 140 μs). Die Echos zwischen jeder Hülle wurden um 500 μs (z. B. T_S = 500 μs) separiert, und die Sequenz wurde 128-mal (z. B. N = 128) wiederholt. Die Empfangsfrequenz wurde konstant auf der Mittenfrequenz des ersten Impulssequenzsegments (z. B. ω_RF/2π = 2,0 MHz) gehalten, so dass die erste Echosequenz auf Null-Frequenz (z. B. Basisband) demoduliert wurde. Die zweite Echosegment wurde auf eine Versatzfrequenz von 20 kHz (z. B. Δω_RF/2π = 20 kHz) demoduliert. Die Echos von jedem resonanten Signal wurden durch die zeitliche Platzierung voneinander (z. B. T_S = 500 μs) unterschieden. In verschiedenen anderen Ausführungsformen können die Echos auch anhand ihres Frequenzgehalts voneinander unterschieden werden.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf Mehr-Segment-Sequenzen gerichtet, die zur Erzeugung von Interaktionen zwischen Hüllen angelegt werden, und diese Interaktionen zwischen Hüllen werden zur Bestimmung einer NMR-Eigenschaft benutzt. Solche Mehr-Segment-Sequenzen beeinflussen die Magnetisierung in einer Hülle einer Substanz, indem sie Spins in anderen Hüllen der Substanz manipulieren. In einer Ausführungsform umfasst ein solches Verfahren das Anlegen einer NMR-Impulssequenz an die Substanz. Die NMR-Impulssubstanz umfasst mindestens ein erstes Impulssequenzsegment an einem ersten Satz von Frequenzen und ein zweites Impulssequenzsegment an einem zweiten Satz von Frequenzen. Das zweite Impulssequenzsegment erzeugt ein resonantes Signal in einer Hülle der Substanz, und das erste Impulssequenzsegment erzeugt eine Charakteristik innerhalb des resonanten Signals durch Interaktion mit einer anderen Hülle. Das resonante Signal wird detektiert, und eine NMR-Eigenschaft wird auf Basis der Charakteristik innerhalb des detektierten resonanten Signals bestimmt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Charakteristik eine imaginäre Komponente innerhalb des detektierten Signals sein, die in das erste Impulssequenzsegment eingebracht wird. Zum Beispiel kann das erste Impulssequenzsegment eine Asymmetrie in die Längsmagnetisierung innerhalb der Hülle einbringen. In einem anderen Beispiel kann die Charakteristik eine Phasenverschiebung innerhalb des detektierten Signals sein.
In einigen Ausführungsformen ist die NMR-Eigenschaft, die bestimmt wird, eine NMR-Eigenschaft der Substanz, wie eine lange Spin-Gitter-T₁-Relaxationszeit der Substanz. In einem anderen Beispiel ist die NMR-Eigenschaft eine Eigenschaft der NMR-Messung selbst. In einem spezifische Beispiel ist die Eigenschaft der NMR-Messung die Größe des angelegten oszillierenden Felds. Einzelheiten über die Anwendung der Interaktionen zwischen Hüllen für die Bestimmung (1) einer langen Spin-Gitter-T₁-Relaxationszeit der Substanz und (2) einer Größe des angelegten oszillierenden Felds werden nachstehend erläutert.
Wie vorstehend erläutert, können Mehr-Segment-Sequenzen mit Vorteil zur Erzeugung von Interaktion zwischen mehreren Hüllen eingesetzt werden, um Spins mit langen Gitter-Relaxationszeiten (T₁) zu detektieren und um die Länge solcher Relaxationszeiten zu bestimmen. Aus solchen Sequenzen erzeugte Messungen können als Qualitätskontrollindikatoren für die Sondierung benutzt werden. Zum Beispiel können die Messungen benutzt werden, um eine Bedienungsperson wegen unvollständiger Polarisierung bei Schnellsondiervorgängen zu warnen. Solche Mehr-Segment-Sequenzen können als „partielle” Sättigungserholungssequenzen fungieren.
18 zeigt eine Mehr-Segment-Sequenz 1800 zur Bestimmung der T₁-Relaxationszeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Sequenz 1800 umfasst ein erstes Impulssequenzsegment 1802 an einem ersten Satz von Frequenzen (ω_RF1), das an eine erste Hülle angelegt wird, und ein zweites Impulssequenzsegment 1804 an einem zweiten Satz von Frequenzen (ω_RF2), das an eine zweite Hülle angelegt wird. Die Impulssequenz 1800 umfasst eine Warteperiode (T_W) zwischen dem ersten Impulssequenzsegment 1802 und dem zweiten Impulssequenzsegment 1804. In einigen Fällen liegt die Warteperiode (T_W) zwischen 1 ms und 10 ms. In einem spezifischen Beispiel ist die Warteperiode (T_W) kürzer als 1 s. Ebenfalls in einem anderen spezifischen Beispiel sind die Impulssequenzsegmente CPMG-Sequenzen. In einigen Fällen wird das zweite Impulssequenzsegment 1804 initiiert, bevor die erste Hülle thermisches Gleichgewicht erreicht. Wenn die Warteperiode (T_W) viel länger ist als die T₁ Relaxationszeit, wird das erste Impulssequenzsegment 1802 nicht die gewünschte Interaktion mit der zweiten Hülle haben. Wenn die Warteperiode (T_W) ungefähr gleich lang oder kürzer ist als die T₁ Relaxationszeit, wird das erste Impulssequenzsegment 1802 die gewünschte Interaktion mit der zweiten Hülle haben, und diese Interaktion kann detektiert werden, um zu bestimmen, ob die Warteperiode (T_W) länger oder kürzer ist als die T₁ Relaxationszeit
Eine durchschnittliche Frequenz (ω_RF2) des zweiten Impulssequenzsegments 1804 ist gegenüber einer durchschnittlichen Frequenz (ω_RF1) des ersten Impulssequenzsegments 1802 um eine Frequenzdifferenz (Δω_RF) versetzt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Frequenzdifferenz kleiner als 10 ω₁. In einigen spezifischen Ausführungsformen liegt die Frequenzdifferenz zwischen 1 ω₁ und 4 ω₁. Der Betrag der Interaktion zwischen der ersten Hülle und der zweiten Hülle kann durch Variieren der Frequenzdifferenz (Δω_RF) und/oder der Warteperiode (T_W) gesteuert werden. Das erste Impulssequenzsegment 1802 erzeugt eine Asymmetrie in mindestens einem Teil der Längsmagnetisierung in Bezug auf eine statische Frequenzabweichungsachse des zweiten Impulssequenzsegments 1804. Die Asymmetrie induziert eine imaginäre Komponente ungleich Null in den Echos, die innerhalb der zweiten Hülle erzeugt werden. Diese imaginäre Komponente klingt exponentionell mit exp(–T_W/T₁) ab. Diese imaginäre Komponente des resonanten Signals innerhalb der zweiten Hülle wird detektiert. Die imaginäre Komponente und der bekannte. Wert der Warteperiode (T_W) können für die Bestimmung der T₁ Relaxationszeit benutzt werden. In einigen Fällen erhöhen die partiellen Sättigungserholungssequenzen vorteilhaft das SRV für Kerne mit langen T₁-Komponenten. Im Gegensatz nähert sich bei konventionellen Sättigungserholungssequenzen das SRV null, wenn T₁ sich unendlich nähert.
19 zeigt in einer simulierten Auftragung 1900 eine asymptotische Echoamplitude gegen die Echoakquisitionszeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, während 20 in einer gemessenen Auftragung 2000 eine asymptotische Echoamplitude gegen die Echoerfassungszeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Insbesondere zeigen die Figuren simulierte und gemessene asymptotische Echoamplituden für eine partielle Sättigungserholungssequenz. In diesem Fall enthält die Sequenz eine Warteperiode von 10 ms zwischen Segmenten (z. B. T_W = 10 ms). Jedes Impulssequenzsegment war eine CPMG-Sequenz. Die partielle Sättigungserholungssequenz wurde an eine „Dotierte-Wasser”-Probe gelegt. Die „Dotierte-Wasser”-Probe hatte eine T₁ und T₂ Relaxationszeit von etwa 120 ms (z. B. T₁ ≈ T₂ = 120 ms). Die Impulssequenz wurde unter Anwendung eines Breitband-NMR-Systems an die Probe gelegt. Die Larmor-Frequenz der ersten Hülle betrug 0,94 MHz, und der Frequenzunterschied zwischen den Hüllen betrug 10 kHz (z. B. Δω_RF/2π = 10 kHz). Die Erregerimpulse für jedes Segment hatten eine Länge von 70 μs (z. B. T₉₀ = 70 μs). Der Echoabstand innerhalb jeder Hülle betrug 4 ms (z. B. T_E = 4 ms), und die Impulssequenz wurde 128-mal (z. B. N = 128) wiederholt. Wie aus 19 und 20 hervorgeht, entspricht die gemessene asymptotische Echoamplitude gut der simulierten asymptotischen Echoamplitude für die partielle Sättigungserholungssequenz. Das von der zweiten Hülle erzeugte asymptotische Echo hat eine imaginäre Komponente 1902 ungleich Null. Wie vorstehend erläutert, kann die imaginäre Komponente ungleich Null zur Bestimmung der T₁ Relaxationszeit benutzt werden. Weitere Messungen zeigten ähnliche vorteilhafte Resultate für verschiedene unterschiedliche Werte der Warteperiode (T_W).
Wie vorstehend erläutert, wird in einer anderen beispielhaften Ausführungsform eine Mehr-Segment-Sequenz für die Bestimmung der Größe eines angelegten oszillierenden Felds (B₁) benutzt. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf ein schnelles und genaues Verfahren zur Bestimmung einer durchschnittlichen Größe eines Hochfrequenz-Magnetfelds (B₁) oder entsprechend einer Nutationsfrequenz (ω₁ = γB₁), das an ein NMR-System gelegt ist, gerichtet. Die Mehr-Segment-Sequenz benutzt die Bloch-Siegert-Phasenverschiebung (B-S Phasenverschiebung), um die Größe eines angelegten oszillierenden Felds zu bestimmen.
21 zeigt eine Mehr-Segment-Sequenz 2100 zur Bestimmung eines angelegten oszillierenden Felds (B₁). Die Sequenz 2100 enthält ein erstes Impulssequenzsegment an einer ersten Frequenz (ω_RF1) (z. B. Satz von Frequenzen) und ein zweites off-resonantes Impulssequenzsegment an einer zweiten Frequenz (ω_RF2) 2104 (z. B. Satz von Frequenzen). Die Differenz zwischen den zwei Impulsen ist Δω_RF1. Im Impulssequenzsegment von 21 enthält das erste Segment 2102 einen Erregerimpuls 2106, einen Refokussierimpuls 2108 und ein Echo 2110. In verschiedenen Ausführungsformen haben die Erregerimpulse eine Länge von T₉₀, und die Refokussierimpulse haben eine Länge von T₁₈₀. In diesem Fall ist das erste Segment 2102 eine Hahn-Spin-Echo-Sequenz (SE). Das zweite Segment 2104 enthält einen off-resonanten Impuls 2112, der nach dem Erregerimpuls 2106 angelegt wird. Das zweite Segment enthält 2104 außerdem einen weiteren off-resonanten Impuls 2114, der nach dem Refokussierimpuls 2108 angelegt wird. Die off-resonanten Impulse haben jeweils eine Länge von T_BS.
zeigt eine weitere Mehr-Segment-Sequenz 2200 zur Messung eines angelegten oszillierenden Feldes (B₁). In dieser Ausführungsform umfasst die Sequenz 2200 ein erstes Impulssequenzsegment 2202 mit einer ersten Frequenz (ω_RF1) und eine zweites off-resonantes Impulssequenzsegment 2204 an einer zweiten Frequenz (ω_RF2). Das erste Segment 2202 umfasst einen Erregerimpuls 2206 und Refokussierimpuls 2208 und ein Echo 2210. Der Refokussierimpuls 2208 und das Echo 2210 (z. B. refokussierender Zyklus) werden mehrfach (N_E) wiederholt. In diesem Fall ist das erste Segment eine CPMG-Sequenz. Das zweite Segment 2204 umfasst einen ersten off-resonanten Impuls 2212, der nach dem Erregerimpuls 2206 angewendet wird, und einen anderen zweiten off-resonanten Impuls 2214, der nach dem Refokussierimpuls 2208 angelegt wird. Wie in 22 gezeigt, sind die Impulssequenzsegmente 2202, 2204 zwischen einander liegend angeordnet. In diesem Fall wird der zweite off-resonante Impuls 2212 nach jedem Refokussierimpuls 2208 (z. B. N_E Mal) wiederholt. Auch in diesem Fall weist der erste off-resonante Impuls 2212 eine Länge von T_BS auf, während der zweite off-resonante Impuls 2214 eine Länge von 2T_BS hat.
23 zeigt eine weitere Mehr-Segment-Sequenz 2300 zur Messung eines angelegten oszillierenden Feldes (B₁). In diesem Fall umfasst ein zweites off-resonanter Impulssequenzsegment 2304 einen zweiten off-resonanten Impuls 2314, der nach einem Echo 2310 angelegt wird. Die Mehr-Segment-Sequenzen in 21–23 sind spezifische Beispiele und die hierin präsentierten Ausführungsformen sind nicht auf irgendwelche spezifischen Sequenzen und Impulslängen begrenzt.
In diesen spezifischen Beispielen haben die Impulse eine Länge von T_BS und 2T_BS, und die Impulse bringen B-S Phasenverschiebungen ein, die ϕ_BS bzw. 2 ϕ_BS sind (z. B. weil ϕ_BS = ω₁ ²T_BS/(2Δω_RF). Solche B-S Phasenverschiebungen können auch durch Variieren anderer Impulseigenschaften bewirkt werden. Insbesondere können solche Phasenverschiebungen durch Änderung der Impulslänge (T_BS), der Impulsamplitude (ω₁), oder der Frequenzabweichung (Δω_RF) hergestellt werden.
In beispielhaften Ausführungsformen werden die Mehr-Segment-Sequenzen (z. B. 2100, 2200, 2300) mehrfach (z. B. eine Anzahl von „Scans”) angelegt. In einigen Ausführungsformen haben die Impulse gleiche und entgegengesetzte Frequenzversatze (±Δω_RF), welche die Abhängigkeit der B-S Phasenverschiebung (ϕ_BS) von resonantem Frequenzversatz aufheben, wie in Gleichung 24 unten dargestellt. Zum Beispiel ist in einer ersten Anwendung einer Mehr-Segment-Sequenz (z. B. ein erster Scan) der Frequenzversatz +Δω_RF, während in einer zweiten Anwendung der Mehr-Segment-Sequenz (z. B. zweiter Scan) der Frequenzversatz –Δω_RF ist.
Die ersten und zweiten off-resonanten Impulse induzieren eine B-S Phasenverschiebung (ϕBS) in den Echos des resonanten Signals, und diese B-S Phasenverschiebung kann benutzt werden, um das angelegte oszillierende Feld (B₁) zu bestimmen. Wie oben erläutert, werden die Impulssequenzen unter Anwendung eines NMR-Systems angelegt. In einigen Ausführungsformen ist das NMR-System ein Breitband-System, das off-resonante Impulse mit einem Frequenzversatz (Δω_RF) von mehreren ω₁ von der Larmor-Frequenz anlegt. Zum Beispiel kann bei einer Larmor-Frequenz von 2 MHz und einer Nutationsfrequenz ω₁ = 2π × 10 kHz (entsprechend T₉₀ = 25 μs) die Versatzfrequenz 8ω₁ = 2π × 80 kHz sein. Das NMR-System umfasst auch eine Spule, um Kernspins zu erregen und ein resonantes Signal in einer Hülle zu erzeugen. Die Spule erzeugt ein zeitlich variierendes lineares HF-Magnetfeld, das als Summe von zwei zirkular polarisierten Magnetfeldern mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden kann:
worin ω₀ die Erregerfrequenz ist, t die Zeit und i = √ –1 . Die beiden Felder rotieren im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn mit der Zeit. Die Wirkung des gegen den Uhrzeigersinn rotierende Felds auf das resonante Signal besteht darin, die resonante Frequenz um einen Wert (ω_BS) zu verschieben, wie durch die folgende Gleichung dargestellt:
worin B₁ die Amplitude jedes zirkular polarisierten Hochfrequenz-Felds ist. Das gegen den Uhrzeigersinn rotierende Feld kann als um einen Betrag von ω₀ – (–ω₀) = 2ω₀ in der Frequenz vom resonanten (im Uhrzeigersinn rotierenden) Feld versetzt betrachtet werden. In den meisten Fällen ist ω₁ viel kleiner als ω₀, und diese so genannte B-S Phasenverschiebung ist klein und kann ignoriert werden. Jedoch ist es möglich, die Verschiebung durch Verringern des Frequenzversatzes von 2ω₀ auf einen anderen Wert Δω_RF zu erhöhen. Wie oben erläutert, können off-resonante HF-Impulse mit einer Frequenz (ω₀ – Δω_RF) zur Erhöhung der Verschiebung angewendet werden. Die Wirkung eines solchen off-resonanten Erregerimpulses wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
worin Δω_RF der Frequenzversatz des off-resonanten Impulses ist, und ω₁ γB₁ (z. B. ω₁ ≡ γB₁) ist. In beispielhaften Ausführungsformen ist der Frequenzversatz (Δω_RF) weit größer als ω₁, und der off-resonante Impuls erregt keine zusätzliche Magnetisierung und ändert nicht die Amplitude des Spinechos. Allerdings erzeugt der off-resonante Impuls eine messbare Phasenverschiebung. Diese Phasenverschiebungswirkung lässt sich durch Anwendung des rotierenden Rahmens des Impulses beschreiben. Im rotierenden Rahmen wird das effektive Magnetfeld für das Spinpaket bei Δω_RF vorgegeben durch:
Der off-resonante Impuls ändert die Größe des effektiven Felds und damit der Präzessionsfrequenz von seinem Freipräzessionswert von Δω_RF um einen Betrag, der die B-S Phasenverschiebung ist.
24 zeigt ein effektives on-resonantes Magnetfeld im rotierenden Rahmen des off-resonanten Impulses. Mit Trigonometrie, wie in gezeigt, wird die folgende Beziehung bestimmt:
Da das effektive Feld annähernd zum statischen Feld (z-Achse) weit off-resonant ausgerichtet ist (z. B. wenn Δω_RF viel größer ist als ω₁), wird der Impuls nahezu keine zusätzliche Magnetisierung erzeugen. Allerdings wird es zusätzliche Präzession um die z-Achse erzeugen, was zu einer Phasenverschiebung für das resonante Signal bei Δω_RF führt:
worin T_BS die die Dauer der off-resonanten Impulses ist. Da die Größe des Effekts nur mit dem Umkehrwert der Versatzfrequenz (Δω_RF) abnimmt, können sogar frequenzselektive Impulse, die weit off-resonant angelegt werden, signifikante B-S Phasenverschiebungen erzeugen. Der genaue Wert der B-S Phasenverschiebung ist abhängig von Amplituden- und Frequenzprofil des off-resonanten Impulse, was aus Gleichung 17 hervorgeht. Für den Fall ein festen Amplitude (rechteckig) und festen Frequenzimpulsen vereinfacht sich Gleichung 17 wie folgt:
worin θ_nom den nominellen Kippwinkel des off-resonanten Impulses bezeichnet (z. B. θ_nom ω₁ T_BS). In einem inhomogenen statischen Feld ist die B-S Phasenverschiebung auch eine Funktion des resonanten Frequenzversatzes (Δω₀) innerhalb einer Hülle, wie aus nachstehender Gleichung hervorgeht:
Rechteckige Impulse in einem konstanten statischen Feldgradienten erregen einen Frequenzbereich von 2ω₁, (z. B. die Region, wo |Δω₀| ≤ ω₁) und definieren somit die Hülle. In einigen Ausführungsformen, wo Δω_RF viel größer ist als ω₁, ist auch Δω_RF viel größer als |Δω₀| innerhalb des erregten Volumens (z. B. der Hülle). Der Nenner in Gleichung 19 kann dann durch eine Taylorreihe erweitert werden, um die folgende Beziehung zu bestimmen:
Die Abhängigkeit erster Ordnung von der resonanten Frequenz kann entfernt werden, indem die Differenz zwischen zwei Anwendungen (z. B. Scans) von Mehr-Segment-Sequenzen (z. B. 2200, 2300) mit Versatzfrequenzen von +Δω_RF und –Δω_RF, wie oben erläutert, genommen wird. In diesem Fall ist die Phasenverschiebung annähernd konstant über das erregte Probenvolumen, und es gibt fast keine Verzerrung der Echoform. Die Verschiebung ergibt sich aus folgender Gleichung:
Gleichung 21 kann umgeschrieben werden, um eine Lösung für das angelegte oszillierende Feld (B₁) auf Basis der gemessenen B-S Phasenverschiebung (ϕ_BS), der Länge des off-resonanten Impulses (T_BS), des Frequenzversatzes (Δω_RF) und der Erregerfrequenz (ω₀) zu erhalten, wie nachstehend dargestellt:
Die B-S Phasenverschiebung (ϕ_BS) kann genauer durch Erhöhen des resonanten Signals bestimmt werden. Das resonante Signal kann durch Erzeugen mehrerer Spinechos und anschließende Addition der Echos erhöht werden. Eine CPMG-Sequenz, wie die in 22 oder 23 dargestellte, kann für diesen Zweck benutzt werden. In verschiedenen Ausführungsformen ist zur Messung der B-S Phasenverschiebung mit einer CPMG-Sequenz die CPMG-Bedingung erfüllt (z. B. die anfängliche Quermagnetisierung wird mit der effektiven Achse des refokussierenden Zyklus ausgerichtet), und die anfängliche Quermagnetisierung wird durch den ersten off-resonanten Impuls phasenverschoben. Als ein Ergebnis wird die effektive refokussierende Achse ebenfalls um den gleichen Wert gedreht. Ein zweiter off-resonanter Impuls, der eine Phasenverschiebung von 2ϕ_BS erzeugt, kann für diesen Zweck zum Refokussierzyklus hinzugefügt werden. Dieses Verhalten kann durch Erhöhen der Länge des zweiten off-resonanten Impulses um einen Faktor 2, durch Erhöhen der Amplitude des off-resonanten Impulses um den Faktor √2 oder durch eine Kombination beider solcher Techniken erhalten werden. In einigen Ausführungsformen sind die Amplituden der off-resonanten Impulse konstant und gestatten dadurch ein Senden der Sequenz unter Verwendung hocheffizienter nichtlinearen Leistungsverstärker. In verschiedenen Ausführungsformen können die zweiten off-resonanten Impulse innerhalb jedes CPMG-Refokussierzyklus vor dem Echo (z. B. 2200) oder nach dem Echo (z. B. 2300) angewendet werden. Die Spindynamiken dieser Sequenzen sind ähnlich, mit Ausnahme einer Umkehr des Vorzeichens der Phasenverschiebung (ϕ_BS). Der Anwendung der HF-Impulse folgt eine bestimmte „Totzeit”, wenn der Empfänger nicht benutzt wird (z. B. aufgrund von Impulsdurchleitung, Duplexer-Schaltzeit, oder aus anderen Gründen). Die Lücke zwischen der Anwendung der HF-Impulse und der Erzeugung von Echos ist größer in der Mehr-Segment-Sequenz, gezeigt in 23, als die Mehr-Segment-Sequenz in 22, und damit ist die Sequenz in 22 weniger anfällig für Totzeiteffekte. Als Ergebnis ist kürzerer Echoabstand möglich, was in höherem SRV und genauerer Schätzung der B-S Phasenverschiebung (ϕ_BS) resultiert.
In beispielhaften Ausführungsformen sind das zweite Segment und dessen off-resonante Impulse phasenzyklisch. In einigen Fällen erregen die off-resonanten Impulse kleine, aber oft nicht vernachlässigbare Mengen von Quermagnetisierung, die Amplitudenvariationen im endgültigen Echo erzeugen und eine genaue Messung der Phasenverschiebung (ϕ_BS) erschweren. Dieser Effekt kann insbesondere für Rechteckimpulse, die schlechte Frequenzselektivität aufweisen können, ausgeprägt sein.
Solche unerwünschten Magnetisierung kann durch Phasenzyklen der off-resonanter Impulse eliminiert werden. Tabelle 1 zeigt ein Beispiel von vierteiligen Phasenzyklen, mit denen die B-S Phasenverschiebung für einen gegebenen Frequenzversatz (Δω_RF) gemessen werden kann. Die Phasenverschiebungen sind in Tabelle 1 in Vielfachen von π/2 dargestellt. Die vierteiligen Phasenzyklen umfassen zwei phasenalternierende Paare (PAP) mit entgegengesetzten Phasen für die off-resonanten Impulse. Der Zyklus wird für einen Frequenzversatz von –Δω_RF wiederholt und die Phasen werden voneinander subtrahiert, um den endgültigen Wert der Phasenverschiebung (ϕ_BS) zu erhalten, wie in Gleichung 22 gezeigt.
Diese differentielle Berechnung macht auch das Ergebnis unabhängig von der absoluten Phase des Echos. So sind in einigen Fällen insgesamt vier PAPs ausreichend zum Messen der B-S Phasenverschiebung. TABELLE 1

SCHRITT 0 1 2 3

ANREGUNGSPULSE 2 2 0 0

REFOKUSSIERIMPULSE 3 3 1 1

OFF-RESONANTE IMPULSE 2 0 2 0

AKQUISITION 2 2 0 0
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist die Länge der Refokussierimpulse (T_BS) ein ganzzahliges Vielfaches von 2π/Δω_RF. In solchen Ausführungsformen werden die rotierenden Rahmen des ersten Sequenzsegments (z. B. CPMG-Impulsen) und des zweiten Sequenzsegments (z. B. off-resonante Impulse) nach jedem off-resonanten Impuls ausgerichtet. In einigen Fällen ist kann möglicherweise nicht sichergestellt werden, dass diese Synchronitätsbedingung genau erfüllt ist (z. B. aufgrund von transienter Impulse, begrenzter zeitlicher Präzision des Spektrometers oder anderen Faktoren). Transiente durch Einschalten und Ausschalten des Impulses können beispielsweise die effektive Länge von sowohl dem ersten off-resonanten Impuls (z. B. T_BS) als auch dem zweiten off-resonanten Impuls (z. B. 2T_BS) um den gleichen Betrag reduzieren (Δt). Als Ergebnis kann die Wirkung durch Verlängerung beider Pulse um Δt aufgehoben werden. In Abwesenheit dieser Korrektur gibt es einen statischen Phasenversatz zwischen dem rotierenden Rahmen der off-resonanten Impulse und den CPMG-Impulsen. Als Ergebnis zeigt das Echo den gleichen Phasenversatz, der gegeben ist durch: ϕ_off = 2Δω_RF × Δt Gl. 23 wobei der Faktor von zwei verwendet wird, weil zwei Anwendungen von Mehr-Segment-Sequenzen mit entgegengesetzten Werten von Δω_RF verwendet werden (z. B. ein erster Scan mit +Δω_RF und ein zweiter Scan mit –Δω_RF). Solche statischen Phasenversätze können durch Auftragen der Mehr-Segment-Sequenz mit zwei Werten von TBS, (T_BS,1) und (T_BS,2), entfernt werden. In einer solchen Ausführungsform können gemessene Phasenverschiebungen (einschließlich des Versatzes) durch ϕ1 und ϕ2 gegeben sein. Die wahren Phasenverschiebungen ϕ_BS,1 = ϕ₁ – ϕ_off und ϕ_BS,2 = ϕ₂ – ϕ_off können geschätzt werden, weil die Verschiebungen linear von T_BS abhängen:
Die Phase eines komplexen Echosignals z(t) = x(t) + iy(t) kann durch Auffinden der durchschnittliche In-Phase- und Quadratur-Komponenten wie folgt geschätzt werden:
wo N_acq Datenpunkte innerhalb eines Akquisitionsfensters der Länge T_acq gemessen werden. Der Fehler bei dieser Schätzung wird minimiert, wenn das Fenster in etwa die gleiche Breite wie das Echo selber aufweist. Der nächste Prozess besteht in der Schätzung von ω₁ durch Invertieren der gemessenen B-S-Phasenverschiebung. Gemäß Gleichung 24 sind zwei Messungen ausreichend, da die Phasenverschiebung (ϕ_BS) von ω₁ und bekannten Eigenschaften der off-resonanten Impulse (z. B. Länge und Frequenzversatz) abhängig ist.
In veranschaulichenden Ausführungsformen können Variationen der Impulsparameter innerhalb des ersten Impulssequenzsegments, wie Kippwinkel der Erregungs- und Refokussierimpulse, den Inversionsprozess nicht verkomplizieren, indem Änderungen an der BS-Phasenverschiebung (ϕ_BS) herbeigeführt werden. Der Kippwinkel einer Impulslänge (T) kann auf der Basis der Impulslänge (T), des gyromagnetischen Verhältnisses (γ) und der Größe des angelegten oszillierenden Feldes (B₁) ermittelt werden (z. B. ist der Kippwinkel gleich γB₁T). 25 zeigt die Phase der asymptotischen Echos als Funktion verschiedener Impulslängen für off-resonante Impulse (T_BS). Insbesondere zeigt 25, dass die B-S-Phasenverschiebung (ϕ_BS) im wesentlichen konstant für einen weiten Bereich von Kippwinkeln ist. Als ein Ergebnis kann ω₁ genau mit einer oder zwei Phasenverschiebungsmessungen abgeschätzt werden. 26 zeigt die Amplitude der asymptotischen Echos als Funktion verschiedener Impulslängen für off-resonante Impulse (T_BS). Insbesondere 26 zeigt, dass die Echoamplitude im Wesentlichen unbeeinflusst durch die off-resonanten Impulse ist. Die Auftragungen in 25 und 26 wurden durch Normalisierung der Nutationsfrequenz (z. B. Einstellung ω₁ = 1), Einstellen des Verhältnisses der Längen der Refokussier- und Erregungsimpulse innerhalb des ersten Sequenzsegments auf 2 erzeugt, und der Frequenzversatzt (Δω_RF) wurde auf 8ω₁ eingestellt. Infolgedessen waren die nominellen B-S-Phasenverschiebungen für T_BS = 2π und T_BS = π π/4 (45°) beziehungsweise π/8 (22,5°). Die Sequenz für die Messung der B-S-Verschiebung wurde auf einem Breitband-NMR-System, wie hierin beschrieben, implementiert. Die Impulslängen und -verzögerungen wurden auf ganzzahlige Vielfache des Frequenzversatzes (Δω_RF) gesetzt, um statische Phasenversätze zu minimieren. Darüber hinaus wurde eine kleine Zeitsteuerungskorrektur (in der Größenordnung von 1 μs) zwischen dem Erregungsimpuls und dem ersten Refokussierzyklus aufgebracht. Diese Korrektur gewährleistete, dass die anfängliche Quermagnetisierung mit der effektiven Refokussierachse ausgerichtet wurde.
27 zeigt eine gemessene B-S-Phasenverschiebung für eine „Dotiertes Wasser”-Probe für verschiedene off-resonante Impulslängen (T_BS). Die Auftragung in 27 wurde durch Anlegen einer Mehr-Segment-Sequenz 2300 wie in 23 gezeigt an eine „Dotierte Wasser-Probe” generiert. Das dotierte Wasser hatte eine T₂ von ungefähr 110 ms. Die Parameter der Mehr-Segment-Sequenz beinhalteten: ω_RF/2π = 1,48 MHz; T_E = 2.4 ms; N_E = 50; Δω_RF/2π = 25 kHz; Erregungsimpulslänge = 80 μs und Refokussierimpulslänge = 160 μs. Der statische Phasenversatz wurde abgeschätzt und entfernt, indem die kleinsten und größten Werte von T_BS verwendet wurden, wie in Gleichung 24 gezeigt ist. Die verbleibende Phasenverschiebung ist eine lineare Funktion von T_BS mit einer Neigung entsprechend T₉₀ = 102 μs, (z. B. ω₁/2π = 1/(4T₉₀) = 2,45 kHz). In diesem Fall wurden zwei Werte von T_BS verwendet, um T₉₀ zu messen.
Die Ergebnisse in 27 waren in Übereinstimmung mit konventionellen Ansätzen zur Bestimmung des angelegten oszillierenden Feldes, wie unter Verwendung von gemessenen Nutationskurven. Eine gemessene Nutationskurve wurde bestimmt, indem die Erregungs- und Refokussierimpulsbreiten innerhalb des ersten Segments variiert wurden, während das Verhältnis zwischen ihnen konstant gehalten wurde. Die resultierenden Echoamplituden wurden aufgetragen, und die Position des Peaks wurde ermittelt. Eine derartige gemessene Nutationskurve ist in 28 gezeigt. Wie in den 27 und 28 zu sehen ist, stimmen die beiden oben beschriebenen Techniken gut überein (z. B. in Bezug auf die Messung der B-S-Phasenverschiebung beziehungsweise einer Nutationskurve), abgesehen von der Tatsache, dass der Peak der Nutationskurve bei geringfügig kürzeren Impulslängen liegt (z. B. 96 μs, verglichen mit 102 μs). Die Differenz wird durch einen spindynamischen Effekt, nämlich die Multiplizität der Kohärenzpfade, verursacht, der zu der asymptotischen CPMG-Echoform in inhomogenen Feldern beiträgt. Ähnliche Ergebnisse wurden bei anderen Versatz- und Larmor-Frequenzen erhalten, wodurch gezeigt wird, dass die Verwendung der B-S-Phasenverschiebung ein schnellerer und genauerer Weg zur Messung der Größe des B₁-Feldes und zur Kalibrierung der Impulslängen sein kann, verglichen mit konventionellen Verfahren.
Veranschaulichende Ausführungsformen sind auch auf die Bestimmung der Größe eines angelegten oszillierenden Feldes (B₁) gerichtet, welches inhomogen ist. In einem inhomogenen Feld kann das gemessene NMR-Signal als Funktion von sowohl ω₁ als auch des resonanten Frequenzversatzes (Δω₀) auf folgende Weise ermittelt werden:
wobei x die Suszeptibilität des Kerns, F(Δω₀) die Frequenzreaktion des Detektierungsystems, m_x,y(Δω₀, ω₁) die lokale Quermagnetisierung ist und die Funktion f(Δω₀, ω₁) aus Feldkarten von B₀ und B₁, einer Spindichtekarte der Probe und einem Spuleneffizienzfaktor ermittelt werden kann. Gleichung 26 kann in Gegenwart der B-S-Phasenverschiebung umgestellt werden zu:
Die obige Gleichung 27 zeigt, dass off-resonante Impulse sowohl die Form des Echos als auch die Phase des Echos verändern.
Illustrierende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarungen können auch Änderungen innerhalb des angelegten oszillierenden Felds (B₁) detektieren. Magnetische Verunreinigungen erzeugen oft signifikante Veränderungen in der Verteilung des statischen Magnetfelds B₀(r →) von NMR Bohrlochsondierungswerkzeugen. Infolgedessen ändern sich die Position und Form des empfindlichen Volumens (der Hülle), was zu Kalibrierfehlern in grundlegenden NMR-Messungen, wie Porosität, führt. Die Mehr-Segment-Sequenzen können mit anderen Messungen von B₁ (beispielsweise aus einer Abgreifschleife) kombiniert werden, um solche Veränderungen von B₀ zu detektieren Die Skintiefe bei den niedrigen Larmor-Frequenzen, die beim Well-Logging (Bohrlochsondieren) verwendet werden, ist üblicherweise signifikant größer als die Untersuchungstiefe. Die Abhängigkeit von B₁ vom Salzgehalt ist daher räumlich gleichförmig (kann z. B. als gleichförmige Skalierung von B₁(r →) um einen Faktor α modelliert werden). Die durch die Mehr-Segment-Sequenzen (am empfindlichen Volumen) und an der Abgreifschleife (nahe dem Werkzeug) gemessenen B₁ – Werte werden um den gleichen Faktor als Funktion des Salzgehalts skaliert. Abweichung von gleichförmiger Skalierung zeigt, dass sich die Position des empfindlichen Volumens verändert hat. Die bekannte räumliche Abhängigkeit von B₁(r →) kann zur Abschätzung von Größe und Richtung dieser Verschiebung verwendet werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Hüllen räumlich durch Verwendung eines Unterschieds in der angelegten Frequenz zwischen den Impulssequenzsegmenten separiert. Die Hüllen können in zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen auch durch Verwendung unterschiedlicher Sende- und Empfängerspulen und/oder durch Verwendung der Bewegung der Probe räumlich separiert sein.
Verschiedene Ausführungsformen derartiger Mehr-Segment-Sequenzen zur Bestimmung des angelegten oszillierenden Felds können sowohl in medizinischen Anwendungen als auch in Anwendungen im Ölfeld eingesetzt werden. Die Sequenzen können verwendet werden, um die Amplitude und/oder Dauer der angelegten HF-Impulse zu kalibrieren, so dass die Impulse die gewünschte Wirkung auf die Kernspins erzeugen. Die Kalibrierung wird periodisch wiederholt, da das durch einen gegebenen Impuls generierte Magnetfeld signifikant von der Anwesenheit und den Eigenschaften der Probe abhängen kann. Die Temperatur der Probe kann sich beispielsweise im Zeitverlauf ändern und hat einen Einfluss auf die Größe des angelegten Felds. In einigen Fällen werden die HF-Impulslängen in NMR-Werkzeugen unten im Bohrloch daher als Funktion von Temperatur und dem Spulenqualitätsfaktor (z. B. der eine Funktion der Leitfähigkeit der Formation ist) um 20% oder mehr justiert. Illustrierende Ausführungsformen der Mehr-Segment-Sequenzen bestimmen im Vergleich mit konventionellen Verfahren vorteilhaft die Größe des angelegten oszillierenden Felds rasch und genau. Ein bereits beschriebenes konventionelles Verfahren variiert beispielsweise die Zeitdauern des HF-Impulses und trägt die NMR-Signalamplitude als Funktion der Impulsdauer auf und bestimmt die Peaks. Dieses Verfahren ist zeitraubend, da mehrere NMR-Messungen (z. B. Akquisitionen) erforderlich sind, um die Peaks zu ermitteln. In einem anderen Beispiel wird eine induktive Abgreifschleife verwendet, um das angelegte oszillierende Feld zu messen. Ein derartiges System benötigt jedoch zusätzliche Komponenten, und zwar die zusätzliche induktive Abgreifschleife. Das System detektiert zudem das oszillierende Feld in der Nähe der Position der Schleife, was üblicherweise nicht mit dem empfindlichen NMR-Volumen (der Hülle) zusammenfällt.
Illustrierende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen auch das Anlegen von Mehr-Segment-NMR-Sequenzen an verschiedene Sätze von Atomkernen. Eine derartige NMR-Impulssequenz beinhaltet mindestens ein erstes Impulssequenzsegment an einem ersten Satz von Frequenzen, der auf einen ersten Satz von Atomkernen, wie Kohlenstoffatomkernen, angelegt wird, und ein zweites Impulssequenzsegment an einem zweiten Satz von Frequenzen, der an einen zweiten Satz von Atomkernen angelegt wird, wie Natriumatomkernen. Das zweite Impulssequenzsegment wird initiiert, bevor der erste Satz der Atomkerne das thermische Gleichgewicht erreicht. In einigen Ausführungsformen sind die Segmente wie oben beschrieben ineinander eingeschoben. In einigen Fällen sind der erste Satz der Atomkerne und der zweite Satz der Atomkerne aus unterschiedlichen chemischen Spezies (z. B. unterschiedlichen Atomen, Ionen oder Molekülen). In anderen Fällen sind der erste Satz der Atomkerne und der zweite Satz der Atomkerne von den gleichen chemischen Spezies.

In einigen Ausführungsformen werden mehr als zwei Sätze von Atomkernen innerhalb derselben Hülle unter Verwendung von zwei oder mehr Impulssequenzsegmenten untersucht. Der Satz der Atomkerne kann ein oder mehrere von Wasserstoff (z. B., ¹H Protonen, ²H Deuterium), Fluor (z. B. ¹⁹F), Natrium (z. B. ²³Na) und Kohlenstoff (z. B. ¹³C) sein. Die folgende Tabelle 2 zeigt verschiedene Eigenschaften jedes Kerns. TABELLE 2

Kern	¹H	²H	¹⁹F	²³Na	¹³C
Spin, I	1/2	1	1/2	3/2	1/2
Gyromagnetisches Verhältnis, γ (kHz/G)	4,26	0,654	4,01	1,127	1,071
Häufigkeit in der Natur	99,985%	0,015%	100%	100%	1,1%
Quadrupolmoment (mb)	0	2.86	0	100.6	0

Die Frequenz für jedes Impulssequenzsegment wird so gewählt, dass das Segment innerhalb eines bestimmten Satzes von Atomkernen resonante Signale produziert. Hierfür werden die Impulssequenzsegmente so ausgewählt, dass sie der Larmor-Frequenz eines bestimmten Atomkernsatzes entsprechen. Die Larmor-Frequenz (ω₀) für einen bestimmten Satz von Atomkernen kann aus der Größe des statischen magnetischen Feldes (B₀) und dem gyromagnetischen Verhältnis (γ) des Satzes von Atomkernen (z. B. ω₀ = γB₀) bestimmt werden. Die gyromagnetischen Verhältnisse mehrerer Atomkerne sind oben in Tabelle 2 angegeben.
Die Impulssequenzsegmente werden in beispielhaften Ausführungsformen mit einem Breitband-NMR-System auf eine Substanz und die Atomkerne innerhalb der Substanz angewendet, wie anschließend weiter beschrieben wird. Das System kann vorteilhaft NMR-Signale von mehreren Kernen bei unterschiedlichen Larmor-Frequenzen parallel und ohne physikalische Veränderungen an der Hardware messen. Durch Verwendung eines Breitbandsystems ist die Amplitude des oszillierenden (HF)-Magnetfeldes ferner umgekehrt proportional zu seiner Frequenz (z. B. B₁ ∝ 1/ω_RF) und darüber hinaus nahe an der Resonanz (z. B. ω_RF ≈ ω₀). Die Sequenzimpulslängen (T) an einer beliebigen gegebenen Position in der Probe (was auf einen festen Wert von B₀ hinausläuft) sind somit unveränderlich mit dem gyromagnetischen Verhältnis (γ) der Atomkerne, wie unten gezeigt ist:
In einigen Ausführungsformen kann demnach für den ersten Satz der Atomkerne die geeignete Impulslänge bestimmt werden, und für andere Sätze von Atomkernen können ähnliche Impulslängen verwendet werden. Impulslängen für empfindliche Kerne (wie ¹H) können beispielsweise auch für weniger empfindliche Atomkerne (wie ¹³C) verwendet werden und müssen nicht erneut bestimmt werden. Das spart erheblich Messzeit ein. Die verschiedenen Impulssegmente können somit vorteilhaft Impulse mit ähnlichen Längen (T) aufweisen.
Wenn das NMR-System ein Impulssequenzsegment mit einer bestimmten Frequenz (z. B. über eine begrenzte Bandbreite) anlegt, ist die Dicke der Hülle umgekehrt proportional zu dem gyromagnetischen Verhältnis der Atomkerne innerhalb der Substanz. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass der Spulenstrom und die Amplitude B₁ des NMR-Systems umgekehrt proportional zu der Larmor-Frequenz (z. B. B₁ ∝ 1/ω_RF) sind. Der Gradient (g_z = |dB₀/dz|) des statischen Feldes innerhalb der Hülle nimmt in einer speziellen Ausführungsform linear mit dem statischen Feld zu, das heißt g_z ∝ B₀. Wir haben in diesem Fall:
wobei Δz die Dicke der Hülle ist. Aufgrund der Beziehung in Gleichung 29 wird die Signalamplitude des resonanten Signals (in Einheiten der elektrischen Spannung) folgendermaßen skaliert: γ³I(I + 1)B 2 / 0Δz ∝ I(I + 1)γ² Gl. 30 wobei I der Spin des Atomkerns ist. Die Anzahl der Signalmittelwerte (z. B. Scans), die verwendet werden, um ein gegebenes SRV in elektrischen Spannungseinheiten zu erhalten, wird folgendermaßen skaliert:
wobei N die Anzahl der Signalmittelwerte ist.
29 und 30 zeigen gemessene asymptotische CPMG-Echos für eine Natriumprobe (250 ppK NaCl (Sole)) beziehungsweise eine Deuteriumprobe (40% D₂O, 60% H₂O (schweres Wasser, dotiert mit NiCl₂)). 29 und 30 wurden erstellt, indem die Echos innerhalb des resonanten Signals aus jeder Probe summiert wurden. Die Daten wurde bei mehreren Larmor-Frequenzen mit verschiedenen Impulssequenzen genommen. Die Ergebnisse entsprechen gut den Spindynamiksimulationen. Es wurden zusätzliche CPMG-Messungen (nicht gezeigt) verwendet, um für diese Proben T₂ abzuschätzen. Die Natriumprobe hatte eine Protonenrelaxationszeit von 2 Sekunden (T_2H ≈ 2 s) und eine Natriumrelaxationszeit, die viel kurzer war (T_2Na = 42 ms). Die Natriumrelaxationszeit wurde hier durch Quadrupolinteraktionen dominiert. Die Deuteriumprobe hatte andererseits eine Protonenrelaxationszeit von T_2H = 200 ms und eine Deuteriumrelaxationszeit, die erheblich länger war (T_2D = 420 ms). Diese längere Relaxationszeit trat trotz der Tatsache auf, dass ²H quadrupolar ist (I = 1). Für diese längere Relaxationszeit gibt es zwei Gründe. Erstens ist das quadrupolare Moment von ²H klein, was zu wenig quadrupolarer Relaxation führt. Zweitens haben Protonen relativ zu Deuteronen eine erhöhte dipolare Relaxation. Die dipolare Relaxation wird in dieser Probe durch Interaktionen zwischen Zielkernen und ungepaarten Elektronen in paramagnetischen Ionen in Lösung dominiert. Infolgedessen sind sowohl Längs- als auch Querrelaxationsraten proportional zu dem Quadrat des gyromagnetischen Verhältnisses des Kerns:
wobei γ_n und γ_e das nukleare beziehungsweise elektronische gyromagnetische Verhältnis ist und I der Kernspin ist. Das signifikant höhere gyromagnetische Verhältnis von Protonen relativ zu Deuteronen führt zu erhöhter dipolarer Relaxation für den Protonenkern. 29 und 30 wurden mit einem Breitband-NMR-System generiert. Das Breitband-NMR-System legte Impulssequenzen mit rechteckigen 90°-Erregungsimpulsen und rechteckigen 135°-Refokussierimpulsen an. Die Sequenz- und Probenparameter für 29 beinhalteten T_E = 800 μs/900 μs; T_acq = 262 μs; T_R = 200 ms und N = 16384, wobei T_E der Echoabstand ist, T_acq die Akquisitionszeit ist, T_R die Zeit zwischen den Wiederholungen der Sequenzen ist und N die Anzahl der Wiederholungen der Sequenzen ist. Die Sequenz- und Probenparameter für 30 beinhalteten wo = 2π × 342 kHz; T_E = 1 ms; T_acq = 262 μs, T_R = 1,0 s und N = 1024.
Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen auch die Tiefenprofilmessung mehrerer Atomkerne. 31 zeigt die gemessenen Proton- und Natriumtiefenprofile einer Soleprobe. Die Wartezeiten zwischen aufeinanderfolgenden Scans können zur Messung von Natriumkernen kurz (z. B. kürzer als 200 ms) gehalten werden, da Natriumkerne kurze T₁-Zeiten aufweisen. Das Natriumprofil kann infolgedessen relativ schnell gemessen werden (z. B. in diesem Fall nur 2,5-Mal langsamer als das Protonenprofil). Derartige Natriumprofile können verwendet werden, um den Solegehalt in einer Mischung aus Öl und Sole als Funktion des Radialabstands vom Werkzeug (Tiefe) während der NRM-Bohrlochsondierung abzuschätzen. Eine solche Messung kann als „NMR-Salzgehaltprotokoll” bezeichnet werden. 31 zeigt ein mehrkerniges Tiefenprofil, das mit einem Breitbandsystem generiert wurde. 31 zeigt insbesondere normalisierte Protonen- und Natriumtiefenprofile für eine 250 ppK Solelösung, die sich in einer Mittenfrequenz von 2,0 MHz für die Protonenkerne und 529 kHz für die Natriumkerne befinden. Die experimentelle Zeit, die zur Erfassung jedes Punktes in den Profilen benötigt wurde, betrug 64 Sekunden (Proton, N = 16) und 150 Sekunden (Natrium, N = 1024).
Illustrierende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwenden Breitband-NMR-Elektronik, um Mehr-Segment-Sequenzen mit unterschiedlichen Frequenzen anzulegen und/oder resonante Signale bei unterschiedlichen Frequenzen zu detektieren. Konventionelle Schmalband-NMR-Elektronik kann die Frequenzen am Ende einer vollständigen Impulssequenz, wie einer CPMG-Sequenz, umschalten. Konventionelle Schmalbandsysteme verwenden zum Umschalten zwischen Frequenzen Bänke von festen Kondensatoren und mechanische Schalter, die an eine Spule gekoppelt sind. Die mechanischen Schalter stimmen die Spule auf verschiedene Frequenzen, indem zwischen einer vorgewählten Zahl von festen Kondensatoren umgeschaltet wird. Derartige Schmalbandsysteme weisen zahlreiche Nachteile auf. Die Schalter in den Kondensatorbänken führen erstens zu Rauschen in der NMR-Messung. Zweitens kann ein festgelegter diskreter Satz von Schmalbandfrequenzen eingestellt werden, da jede Frequenz von einem separaten Kondensator abhängt. Drittens induziert der Frequenzumschaltprozess Dynamiken und hält möglicherweise die Phasenkohärenz der Impulssequenzwellenform nicht aufrecht. Viertens ist der Umschaltprozess langsam (z. B. Umschaltzeiten von 10–100 ms).
Hier vorgestellte beispielhafte Ausführungsformen umgehen diese Probleme. Breitband-NMR-Elektronik kann zwischen Frequenzen umschalten, die außerhalb einer natürlichen resonanten Frequenzbandbreite einer Spule mit einer abgestimmten Schaltung liegen. Breitbandelektroniken hängen in anderen Worten nicht von der Abstimmung einer Spule ab, um eine bestimmte Frequenz einzustellen. Im Unterschied zu konventionellen Schmalbandsystemen, die mechanische Schalter und Bänke fester Kondensatoren zum Abstimmen der Spule verwenden, erreichen verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen der Breitbandelektroniken Mehrfrequenzbetrieb, ohne dass Modulation der Hardware erforderlich ist (z. B. Umschalten zwischen festen Kondensatoren oder Abstimmen zwischen variablen Kondensatoren). Die Breitbandelektroniken sind auf diese Weise frequenzunempfindlich und ermöglichen das dynamische Variieren der Impulssequenzfrequenz durch ein Spektrometer, während die Phasenkohärenz einer Ausgabewellenform erhalten bleibt.
Die Breitband-NMR-Elektronik kann, wie bereits erläutert, in einigen Fällen zwischen Frequenzen mit einer Frequenzdifferenz (Δω_RF) umschalten, die bis zu 10% einer anfänglichen angelegten Frequenz beträgt. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann die Frequenz sogar noch höher sein (z. B. 20% 30% oder 50%). In einigen Ausführungsformen kann die Breitband-NMR-Elektronik auch in weniger als 5 μs zwischen Frequenzen umschalten. In einigen weiteren Ausführungsformen kann die Breitband-NMR-Elektronik auch in weniger als 20 μs oder 50 μs zwischen Frequenzen umschalten. In einigen Ausführungsformen kann die Breitband-NMR-Elektronik innerhalb eines Frequenzbereichs von 100 kHz und 3,2 MHz betrieben werden.
32A zeigt ein Breitband-NMR-Gerät 3200 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; Das Breitband-NMR-Gerät 3200 beinhaltet eine Spule 3202, die an die Breitband-NMR-Elektronik 3204, 3206, 3208 gekoppelt ist. Eine Probensubstanz befindet sich innerhalb und/oder außerhalb der Spule 3202. Die Breitband-NMR-Elektronik beinhaltet einen Breitbandsender 3204 und einen Breitbandempfänger 3206. Jeder der Sender 3204 und der Empfänger 3206 ist an die Spule 3202 gekoppelt.
Der Breitband-NMR-Sender 3204 beinhaltet eine nicht resonante NMR-Sendeschaltung 3210, die an die Spule 3202 gekoppelt ist. Die Sendeschaltung 3204 ist „nicht resonant”, da die Resonanzfrequenz der Schaltung nicht der interessierenden Larmor-Frequenz entsprechen muss. Wie bereits erläutert legen konventionelle Schaltungen im Unterschied dazu ihre Resonanzfrequenzen so, dass sie der interessierenden Larmor-Frequenz entsprechen, indem eine spezielle Kapazität für die Schaltung ausgewählt wird. Obwohl die nicht resonante Sendeschaltung 3210 und die Spule 3202 Kondensatoren und dazugehörige Kapazität verwenden können, ist diese Kapazität nicht spezifisch so gewählt, dass sie einer interessierenden Larmor-Frequenz entspricht. 32B zeigt eine nicht resonante NMR-Sendeschaltung 3210 in Übereinstimmung mit einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die NMR-Sendeschaltung 3210 beinhaltet in diesem konkreten Beispiel einen Satz von vier Umschaltern: A 3212, B 3214, C 3216 und D 3218. Diese Schalter steuern die Zeitgebung und Richtung des Stromflusses in der Spule. Wenn diese Schalter mit einer bestimmten Schaltlogik ein und aus geschaltet werden, wird ein Wechselstrom in der Spule erzeugt und somit HF-Strahlung produziert. Die Schaltlogik beinhaltet oft eine Periode mit positivem Strom, gefolgt von einer Periode mit negativem Strom, wodurch eine sinusartige Kurvenform simuliert wird. Durch Wiederholung dieses Musters bei einer gegebenen Frequenz wird die Generierung von HF-Energie mit einer bestimmten Frequenz ermöglicht. Die Schalter 3212, 3214, 3216, 3218 sind in einer bestimmten Ausführungsform Transistoren, wie Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), isolierte Gate-bipolare Transistoren (IGBT) oder verschiedene andere Schalter, die auf der Familie der Hochfrequenzschalter (HFS) basieren. Die Schalter können in verschiedenen Ausführungsformen in weniger als 10 ns schalten. Die Schalter 3212, 3214, 3216, 3218 sind in einer Schaltung 3220 angeordnet, die als H-Brückenschaltung bekannt ist und in 32B zu sehen ist. Die Schalter 3212, 3214, 3216, 3218 werden in einer Ausführungsform durch zwei nicht überlappende digitale Signale gesteuert, die als ϕ₁ und ϕ₂ 3222, 3224, bezeichnet werden. Die Signale ϕ₁ und ϕ₂ 3222, 3224 beinhalten eine Schaltlogik, die verwendet wird, um zwei Sätze von Schaltern anzutreiben, (A und D) und (B und C), so dass eine Spannungsquelle V_batt 3226 mit alternierender Polarität über die Spule 3202 verbunden werden und ein oszillierender Spulenstrom (I₁) erzeugt wird. In Serie mit der Spannungsquelle kann ein Lastwiderstand R₁ 3228 oder eine Sicherung verwendet werden, um den Strom zu begrenzen, der an die Schalter 3212, 3214, 3216, 3218 angelegt wird. Die als ϕ₁ und ϕ₂ 3222, 3224 bezeichneten digitalen Signale werden zur Steuerung der Schalter 3212, 3214, 3216, 3218 verwendet, und eine gewünschte Frequenz einer NMR-Sequenz (z. B. eine Mehr-Segment-Sequenz) wird erreicht, indem diese Signale mit der gewünschten Frequenz wiederholt werden. In einigen Ausführungsformen können andere digitale Signale verwendet werden, um jeden der Schalter 3212, 3214, 3216, 3218 individuell zu steuern. Die Signale können beispielsweise Hochkomponenten einschließen (z. B. ϕ_1H und ϕ_2H), die die Schalter auf der Hochseite 3212, 3214 steuern, und Tiefkomponenten, z. B. ϕ_1L und ϕ_2L), die die Schalter auf der Tiefseite 3216, 3218 steuern.
Der Breitband-NMR-Sender 3204 beinhaltet auch einen Treiber 3230, der an die nicht-resonante NMR-Sendeschaltung 3210 gekoppelt ist. Der Treiber 3230 kann in einer speziellen Ausführungsform ein Computerprozessor sein. Der Treiber 3230 wird verwendet, um die Schalter 3212, 3214, 3216, 3218 innerhalb der Sendeschaltung 3210 zu steuern. Der Treiber 3230 schaltet die Schalter 3210 entsprechend der Schaltlogik innerhalb der digitalen Signale (z. B. ϕ₁ und ϕ₂). Der Treiber 3230 empfängt in verschiedenen Ausführungsformen auch NMR-Impulse von einem NMR-Spektrometer 3208. In einigen Ausführungsformen werden die NMR-Impulssequenzen über mehrere Kanäle geschickt. Eine (nicht gezeigt) Addiererschaltung kann verwendet werden, um die Vielzahl der Kanäle zu kombinieren. Der Sender 3204 beinhaltet in verschiedenen Ausführungsformen auch einen Komparator 3231, um die NMR-Impulssequenzen von dem Spektrometer 3208 zu empfangen und eine Rechteckwellenform zu generieren, die dann dem Treiber 3230 bereitgestellt wird. Die NMRS-Impulssequenzen können dann durch den Treiber 3230 in die spezielle Schaltlogik übersetzt werden, indem positive und negative Wellenformen der NMR-Impulssequenzen ausgewählt werden und dann die Wellenformen auf eine geeignete Spannung konditioniert werden. Die Modulation der Hardware, wie durch einen Abstimmkondensator, ist auf diese Weise nicht erforderlich, um eine bestimmte Frequenz zu erreichen. Die Frequenz wird stattdessen direkt durch das Spektrometer 3208 moduliert.
Die Spule 3202 ist auch an den Breitband-NMR-Empfänger 3204 gekoppelt, so dass NMR-Resonanzsignale innerhalb der Probe detektiert werden können. Die Spule 3202 ist über einen Duplexer 3232 an den Breitbandempfänger 3206 gekoppelt. Der Duplexer 3232 entkoppelt den Empfänger 3206 von der Spule 3202, wenn die Spule im Sendemodus arbeitet (z. B. eine NMR-Impulssequenz sendet). Auf diese Weise schützt der Duplexer 3232 den Empfänger 3206 während eines Sendemodus. Der Duplexer 3232 beinhaltet in einer speziellen Ausführungsform Schalter und einen Schaltertreiber 3234, der die Schalter während eines Sendebetriebsmodus öffnet und die Schalter während eines Empfangsbetriebsmodus schließt. Der Duplexer 3232 beinhaltet in verschiedenen Ausführungsformen zwei nacheinander angeordnete Feldeffekttransistoren (FETs), die durch eine isolierte Treiberschaltung gesteuert werden. Diese Konfiguration erzeugt einen bidirektionalen und Breitbandschalter. Der Schalter ist bidirektional, weil der Status des Schalters von der Polarität der Spannung an der Spule unabhängig ist. Ein derartiger Schalter bleibt beispielsweise OFF (ausgeschaltet), unabhängig davon, ob die Spannung über der Spule positiv oder negativ ist. Der Schalter ist Breitband, weil eine Referenzspannung für den Treiber nicht mit dem gleichen Erdungsanschluss wie der Rest der Treiberschaltung verbunden ist. Steuersignale können unter Verwendung verschiedener isolierter Signalübertragungsmethoden an den Schalter geleitet werden, wie magnetische Übertragungsverfahren (z. B. mit einem Transformator) oder optische Übertragungsverfahren (z. B. mit einem Optoisolator). In einigen Ausführungsformen wird kein Duplexer verwendet, wenn die Vorrichtung 3200 separate Sende- und Empfangsspulen einschließt.
32C zeigt detaillierter den Breitband-NMR-Empfänger 3206. Der Breitband-NMR-Empfänger kann resonante NMR-Signale über einen breiten Frequenzbereich empfangen und verarbeiten. Das Verhältnis der höchsten Betriebsfrequenz und der niedrigsten Betriebsfrequenz ist in einigen Ausführungsformen größer als 5. Das Verhältnis ist in verschiedenen Ausführungsformen so groß wie 30 oder 50. Die höchste Betriebsfrequenz und die niedrigste Betriebsfrequenz sind durch den Frequenzbereich definiert, über dem die Leistung des Empfängers für seine Anwendung befriedigend ist. In einem Fall ist der Frequenzbereich beispielsweise der Bereich, über dem das eingangsbezogene Rauschen des Empfängers unter demjenigen eines 1 Ω Widerstands liegt. Dieses Rauschniveau wird als angemessen für NMR-Spulen mit einem Widerstand von 1 Ω oder größer angesehen. Der Frequenzbereich, der diese Bedingung befriedigend erfüllt, beträgt in verschiedenen Ausführungsformen 3 MHz bis 0,1 MHz.
Verschiedene Ausführungsformen des Breitband-NMR-Empfängers 3206 beinhalten einen Transformator 3236, der das NMR-Resonanzsignal von der Spule 3202 empfängt und das Signal verstärkt, indem eine Spannungsverstärkung geliefert wird. Der Transformator ist in einigen Ausführungsformen direkt an den Duplexer 3232 gekoppelt. Der Transformator 3236 kann ein Aufwärtstransformator mit einem Windungsverhältnis von 1:N sein. Das Windungsverhältnis kann im Bereich von 1:2 bis 1:10 liegen. Bei Tieffrequenzbetrieb (z. B. unter 5 MHz) kann der Transformator 3236 einen Weichmagnetkern beinhalten, um die Induktivität und Leistung des Transformators zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen können jedoch auch höhere Windungsverhältnisse verwendet werden. Für den Betrieb bei höherer Frequenz (z. B. oberhalb von 5 MHz) kann ein Transformator 3236 ohne magnetischen Kern verwendet werden. Der Transformator 3236 beinhaltet in illustrierten Ausführungsformen eine geringe Einfügungsdämpfung und eine Bandbreite, die die höchste Betriebsfrequenz des Empfängers 3206 deutlich übertrifft. Für Transformatoren 3236 mit magnetischen Kernen kann in einigen Ausführungsformen eine magnetische Abschirmung um den Transformator herum installiert werden. Die Abschirmung reduziert das magnetische Feld, das von dem NMR-Magnet in den Transformator 3236 projiziert wird, wodurch die Leistung des Transformators verbessert wird.
Der Empfänger 3206 beinhaltet auch einen Vorverstärker 3238, der dem Transformator 3236 folgt. Der Vorverstärker ist in einigen Ausführungsformen direkt an den Transformator 3236 gekoppelt. Der Transformator 3236 liefert eine passive und rauscharme Breitband-Spannungsverstärkung eines NMR-Signals, das an der Spule 3202 detektiert wird. Diese Spannungsverstärkung erfolgt vor dem Vorverstärker 3238. In einigen Fällen führt eine derartige transformatorgekoppelte Topologie zu einer niedrigen Rauschzahl (RZ) über einem weiten Frequenzbereich. Der Transformator 3236 hat in einem spezifischen Beispiel ein Windungsverhältnis von 1:10, um ein Eingangssignal über einen Rauschgrundwert des Vorverstärkers 3238 zu verstärken. Eine derartige Konfiguration kann ein geringes eingangsbezogenes Rauschen bei Frequenzen bis zu 10 MHz (z. B. 0,1 nV/Hz^1/2 produzieren, welches dem thermischen Rauschen entspricht, das ein 0,6 Ω Widerstand bei 300 K erzeugt). Nach dem Transformator wird das NMR-Signal an den Vorverstärker 3238 weitergereicht, der das NMR-Signal weiter verstärkt.
Der Vorverstärker 3238 beinhaltet eine Sourcefolgerstufe 3251 und eine Common-Source-Verstärkerstufe 3253. In 32C beinhaltet die Sourcefolgerstufe 3251 einen Transistor (J₁), der als Sourcefolgerverstärker konfiguriert ist. Der Transistor (J₁) hat ein Eingangssignal, das in das Gitter (Gate) des Transistors eingespeist wird, und ein Ausgangssignal, das aus der Quelle des Transistors stammt (z. B. auch als Sourcefolger bekannt). In einer spezifischen Ausführungsform ist der Transistor (J₁) ein JFET. Eine Gate-Source-Kapazität (C_gs) und eine Gate-Drain-Kapazität (C_gd) sind dem Transistor (J₁) eigen. Durch Konfigurieren des Transistors (J₁) als Sourcefolger legt der Vorverstärker 3238 vorteilhaft die Gate-Drain-Kapazität (C_gd) an dem Eingangsanschluss des Transistors. Die Gate-Drain-Kapazität (C_gd) ist viel kleiner als die Gate-Source-Kapazität (C_gs), wenn der Transistor (J₁) in seinen üblichen Betriebsbereich (z. B. als Sättigung bekannt) vorgespannt ist. Die maximale HF-Frequenz, die durch den Vorverstärker 3238 rauscharm verstärkt werden kann (z. B. nutzbare Bandbreite des Vorverstärkers) ist proportional zu:
wobei C_input die Gesamtkapazität am Eingang des Transistors (J₁) ist. Der Transistor (J₁) trägt einen erheblichen Anteil der Gesamtkapazität am Eingang des Transistors (C_input) bei, daher erhöht die Verringerung seines Beitrags von der Gate-Source-Kapazität (C_gs) zu der Gate-Drain-Kapazität (C_gd) die Bandbreite des Vorverstärkers erheblich.
In 32C ist ein Einzelverstärker innerhalb der Sourcefolgerstufe 3251 des Vorverstärkers 3238 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann die Sourcefolgerstufe 3251 jedoch mehrere Sourcefolgerverstärker beinhalten, die beispielsweise parallel gekoppelt sind (z. B. eine Vielzahl von Transistoren, die als Sourcefolger konfiguriert und parallel gekoppelt sind).
Nachdem das NMR-Signal die Sourcefolgerstufe 3251 passiert hat, wird das NMR-Signal durch die Common-Source-Verstärkerstufe 3253 weiter verstärkt, die Spannungsverstärkung des Signals liefert. In der in 32C gezeigten Ausführungsform schließt die Common-Source-Verstärkerstufe 3235 eine Anzahl (M) Transistoren ein, die parallel gekoppelt sind. Die Anzahl der Transistoren (M) kann in einigen Ausführungsformen zwischen 2 und 10 liegen. Die Common-Source-Stufe 3253 reduziert das Rauschen, das die Stufe beiträgt, auf ein Niveau, welches das 1/M-fache von dem beträgt, welches die Sourcefolgerstufe 3251 beiträgt (in Leistungseinheiten). Indem M wesentlich größer als 1 gemacht wird, kann das durch die Stufe beigetragene Rauschen reduziert werden, wodurch der Rauschgrundwert des Vorverstärkers 3238 minimiert wird.
Die obigen Beispiele verwenden JFETs (z. B. als J₁ und J₂), es können jedoch andere Transistortypen verwendet werden, wie bipolare Transistoren (BJT) und/oder Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFET). Die Transistoren haben in verschiedenen Ausführungsformen niedriges Strom- und Spannungsrauschen und schließen auch geringe Kapazitäten zwischen ihren Anschlüssen ein.
32D zeigt eine andere Ausführungsform eines Vorverstärkers 3241, der mit dem NMR-Empfänger 3206 verwendet werden kann. Der Vorverstärker 3238 von 32C verwendet einen Widerstand (R_S) an der Source des Transistors (J₁), um durch den Transistor einen DC-Vorspannungsstrom festzulegen. Eine negative Stromversorgung (V_SS) wird an ein Ende des Widerstands (R_S) angelegt, weil über dem Widerstand die DC-Spannung abfällt. Der Widerstand hat in einer spezifischen Ausführungsform 820 Ω, und die Stromversorgung ist –5 V. Im Unterschied zu dem Vorverstärker 3238 aus 32C ersetzt der Vorverstärker 3241 aus 32D den Widerstand (R_S) durch einen großen Induktor (L_S), der an den Transistor (J₁) gekoppelt ist. Der Induktor hat in einer spezifischen Ausführungsform eine Induktivität von 470 μH. Mithilfe einer derartigen Anordnung kann in dem Vorverstärker 3241 von 32D die Verwendung der Stromversorgung (V_SS) vermieden werden.
32E zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines Vorverstärkers 3243, der mit dem NMR-Empfänger 3206 verwendet werden kann. In dieser Ausführungsform beinhaltet der Vorverstärker 3243 einen zweiten Transformator, der zwischen der Sourcefolgerstufe 3251 und der Common-Source-Verstärkerstufe 3253 gekoppelt ist. Der zweite Transformator verstärkt das NMR-Signal, indem eine Spannungsverstärkung des Signals geliefert wird. Die durch den Transformator gelieferte Spannungsverstärkung ist in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen rauschfrei. Der Transformator kann ein Aufwärtstransformator mit einem Windungsverhältnis von 1:M sein (z. B. zwischen 1:2 und 1:10). Der zweite Transformator schließt in einigen Ausführungsformen einen magnetischen Kern ein, während in anderen Ausführungsformen kein Kern verwendet wird. Falls ein magnetischer Kern verwendet wird, kann der Transformator von einer magnetischen Abschirmung umgeben sein. Die Abschirmung verhindert, dass das magnetische Feld des NMR-Magneten in den Transformatorkern eindringt.
Diesem zweiten Transformator folgt die Common-Source-Verstärkerstufe 3253. In dieser speziellen Ausführungsform beinhaltet die Common-Source-Verstärkerstufe 3253 einen Einzeltransformator (J₂), der als Common-Source-Verstärker konfiguriert ist. Andere Ausführungsformen können jedoch zusätzliche Transistoren einschließen. Der zweite Transformator reduziert das Rauschen, das die Common-Source-Verstärkerstufe 3253 einbringt, auf ein Niveau, welches 1/M² Mal unter demjenigen liegt, das die Sourcefolgerstufe 3251 beiträgt (in Leistungseinheiten). Der Rauschbeitrag der Common-Source-Verstärkerstufe 3253 und der späteren Stufen kann für relativ kleine Werte von M bedeutungslos werden, und auf diese Weise erzeugt die Konfiguration einen sehr rauscharmen Vorverstärker. In einer Ausführungsform, in der M 4 ist, ist das gesamte eingangsbezogene Rauschen des Vorverstärkers beispielsweise nur 6,25% größer als das der Sourcefolgerstufe allein. Der Vorverstärker 3243 spart in verschiedenen Ausführungsformen vorteilhaft auch eine erhebliche Energiemenge ein. Es kann insbesondere der Widerstand oder der Induktor am Transistor (J₁) wegfallen, weil die Primärseite des zweiten Transformators den DC-Vorspannungspunkt für den Transistor (J₁) festlegt und die Sekundärseite des Transformators keine DC-Leistung verbrauchen muss.
In verschiedenen Ausführungsformen haben die hier beschriebenen Vorverstärker 3238, 3241, 3243 erhöhte Bandbreiten (z. B. über 3 MHz für eine typische NMR-Spule mit einer Induktivität von 15 μH), verbesserte Einschwingzeit und ähnliches eingangsbezogenes Rauschen, verglichen mit konventionellen Vorverstärkern. Ein konventionelles Beispiel für einen transformatorgekoppelten Vorverstärker für Tieffrequenzbetrieb (z. B. weniger als 50 kHz) ist der SR-554, der von Stanford Research Systems^TM erhalten werden kann.
Der Breitbandempfänger 3206 beinhaltet, wie in 32C zu sehen ist, ein DC blockierendes Netzwerk 3247, welches nach dem Vorverstärker 3238 angeordnet ist. Das DC blockierende Netzwerk 3247 legt einen Ausgang (V_out) des Vorverstärkers 3238 an Erde, wodurch der gesamte dynamische Bereich des Empfängers 3206 maximiert wird.
Der Breitbandempfänger 3206 beinhaltet in der spezifischen Ausführungsform von 32C auch ein Rückkopplungsnetzwerk 3245. Das Rückkopplungsnetzwerk ist an den Vorverstärker 3238 gekoppelt und so konfiguriert, dass die Einschwingzeit des Vorverstärkers reduziert wird. In diesem Fall wird das Rückkopplungsnetzwerk an einen Eingang (V_in) des Vorverstärkers 3238 an einem Ende und nach dem DC blockierenden Netzwerk 3247 an dem anderen Ende gekoppelt. Das Rückkopplungsnetzwerk 3245 entfernt unerwünschte Hochfrequenzresonanzen zwischen induktiver Impedanz an der NMR-Spule 3202 und kapazitiver Eingangsimpedanz (C_input) am Vorverstärker 3238. Diese Resonanzen werden durch HF-Impulse produziert, die durch den Sender 3204 an die Spule 3202 angelegt werden, und können die Einschwingzeit des Empfängers 3206 beeinträchtigen. Um die Einschwingzeit ohne zusätzliches Rauschen zu reduzieren, verwendet das spezielle Rückkopplungsnetzwerk 3245, welches in 32C zu sehen ist, eine Integratorschaltung auf OP-AMP-Basis, gefolgt von einem kleinen Rückkopplungskondensator (C_f). Das Rückkopplungsnetzwerk 3245 erzeugt einen rauschfreien Dämpfungswiderstand (R_damp) zwischen dem Eingang des Vorverstärkers (V_in) und der Erde, um diese Resonanzen zu entfernen. Der rauschfreie Dämpfungswiderstand (R_damp) kann definiert werden durch: R_damp = τ/(AC_f), Gl. 34 wobei τ = R₁C₁ die Zeitkonstante der Integratorschaltung ist und A die Gesamtspannungsverstärkung des Vorverstärkers ist. Es können auch andere Typen von Rückkopplungsnetzwerken verwendet werden. Beispielsweise kann ein Rückkopplungswiderstand (R_f) den Kondensator (C_f) ersetzen, und eine Spannungsverstärkungsschaltung kann die Integratorschaltung ersetzen.
Die Einschwingzeit des Empfängers kann in verschiedenen Ausführungsformen ferner verbessert werden, indem die Signalamplitude an verschiedenen Orten innerhalb des Empfängers 3206 mithilfe von Diodenklemmen begrenzt wird. In der in 32C gezeigten Ausführungsform ist eine Diodenklemme 3249 zwischen den Transformator 3236 und den Eingang (V_in) des Vorverstärkers 3238 gekoppelt (z. B. am Gate des Transistors (J1)). Die Diodenklemme 3249 beinhaltet ein Paar über Kreuz gekoppelte Dioden, die die maximale Signalamplitude über den Dioden auf ungefähr einen Schwellenwert jeder Diode (Von) begrenzen. Typische Werte der Schwellenspannung (V_on) für Siliciumdioden liegen im Bereich von 0,6 V bis 0.7 V. Ähnliche Diodenklemmen können auch an anderen Positionen innerhalb des Empfängers 3206 verwendet werden, wie nach dem Ausgang (V_out) des Vorverstärkers und/oder zwischen der Sourcefolgerstufe (J1) und einer Common-Source-Stufe (J2).
Die Breitband-NMR-Elektronik 3204, 3206, 3208 beinhaltet auch ein Spektrometer also 3208. In einigen Ausführungsformen wird der Ausgang des Vorverstärkers 3238 durch weitere Stufen der Analogfilterung geleitet, bevor er an das Spektrometer 3208 geht. Hochpass- und Tiefpassfilter können beispielsweise die minimale beziehungsweise maximale detektierbare NMR-Frequenz festlegen. Die Abtrennfrequenzen der Filter können bezogen auf die Anwendung variiert werden.
Das detektierte resonante Signal wird in einigen Ausführungsformen durch den Breitbandempfänger 3238 in analoger Form ausgegeben. Das Spektrometer 3208 kann in derartigen Ausführungsformen einen Digitalisierer 3240 umfassen, um das detektierte resonante Signal in digitale Daten umzuwandeln. Die Demodulation des NMR-Signals kann ferner in verschiedenen Ausführungsformen innerhalb des Spektrometers 3208 erfolgen. In verschiedenen anderen oder alternativen Ausführungsformen kann die Demodulation des NMR-Signals jedoch auch innerhalb des Breitband-NMR-Empfängers 3206 stattfinden. Das Spektrometer 3208 beinhaltet auch einen Postprozessor 3242, der zum Interpretieren der detektierten digitalen resonanten Daten und zur Bestimmung der NMR-Eigenschaften aus den detektierten Daten eingesetzt wird. Diese Daten können einem Anwender mit einem Operatormodul 3244 mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) angezeigt werden. Die Operatorschnittstelle 3244 und die GUI sind in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nicht Teil der Breitband-NMR-Elektronik 3204, 3206, 3208. Das Spektrometer 3208 beinhaltet auch einen Impulssequenzgenerator 3246. Der Impulssequenzgenerator 3246 generiert auf Basis von Parametern, die eine Bedienungsperson am Operatormodul 3244 ausgewählt hat, NMR-Sequenzen. Der Impulssequenzgenerator 3246 stellt dem Sender 3204 die Sequenzen zur Verfügung. Das Spektrometer 3208 ist in einer speziellen Ausführungsform ein Kea^TM, das von Magritek^TM erhalten werden kann. Das Spektrometer 3208 kann vom Operatormodul 3244 aus mithilfe der Prospa^TM-Software gesteuert werden, die ebenfalls von Magritek^TM erhältlich ist.
Weitere Einzelheiten zur Breitband-NMR-Elektronik (z. B. nicht-resonante NMR-Systeme) sind in der US-Veröffentlichung Nr. 2012/0001629 beschrieben, die am 5. Januar 2012 veröffentlicht wurde.
33 zeigt ein Breitband-NMR-System 3300 für die Anwendung von Mehr-Segment-Sequenzen auf eine Substanz 3302 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das System 3300 beinhaltet ein NMR-Modul 3304. Das NMR-Modul 3304 beinhaltet in verschiedenen Ausführungsformen eine elektromagnetische Vorrichtung 3306, um an die Substanz 3302 ein statisches Magnetfeld anzulegen. Die elektromagnetische Vorrichtung 3306 ist in einigen Vorrichtungen ein Magnet oder eine Gruppierung von Magneten. Die Magnete können aus einem Samarium-Kobalt(SmCo)-Magnetmaterial gebildet sein.
Das NMR-Modul 3304 beinhaltet auch mindestens eine Spule (z. B. Antenne) 3308 und Breitband-NMR-Elektronik 3310, die elektronisch an die Spule gekoppelt ist. Die Spule 3308 und die Breitband-NMR-Elektronik 3310 legen ein oszillierendes Feld an die Substanz 3302 an (z. B. ein Hochfrequenz-(HF)-Feld). Das an die Substanz angelegte oszillierende Feld beinhaltet in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Mehr-Segment-Sequenz, wie eine Sequenz mit eingeschobenen Impulssequenzsegmenten. Die Spule 3308 und die Breitband-NMR-Elektronik 3310 werden auch verwendet, um resonante Signale zu detektieren, die innerhalb der Substanz 3302 entstehen.
Die Breitband-NMR-Elektronik 3310 ist elektronisch an einen Prozessor 3312 und einen Speicher 3314 (z. B. ein Computersystem) gekoppelt. Der Speicher 3314 kann zum Speichern von Computeranweisungen (z. B. Programmcode des Computers) verwendet werden, die durch den Prozessor 3312 interpretiert und ausgeführt werden. Der Speicher 3314 kann ein digitaler Speicher sein, wie Arbeitsspeicher (RAM), ein Flash-Laufwerk, eine Festplatte oder ein Wechsellaufwerk.
Die hier beschriebenen Mehr-Segment-Sequenzen können in alternativen oder zusätzlichen Ausführungsformen als Serie von Computeranweisungen implementiert werden, die entweder auf einem nicht vorübergehen, dinglichen Medium fixiert sind, wie einem computerlesbaren Medium (z. B. einer Diskette, CD-ROM, einem ROM, Feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder einer Festplatte), oder über ein Modem oder anderes Schnittstellengerät, wie einen Kommunikationsadapter, der über ein dingliches Medium (z. B. optische oder analoge Kommunikationsleitungen) mit einem Netzwerk verbunden ist, auf ein Computersystem übertragen werden können. Die Serie von Computeranweisungen kann alle oder einen Teil der hier beschriebenen Mehr-Segment-Sequenzen verkörpern.
Die hier beschriebenen Mehr-Segment-Sequenzen und verschiedene andere NMR-Impulssequenzen können als Software oder Firmware in dem Speicher 3314 gespeichert sein. Der Prozessor 3312 kann so konfiguriert sein, dass die Sequenzen aus dem Speicher 3314 abgerufen und der Breitband-NMR-Elektronik 3310 Anweisungen bereitgestellt werden, um die Sequenzen auf die Substanz 3302 anzuwenden. Die detektierten resonanten Signale können auch von der Breitbandelektronik 3310 an den Prozessor 3312 kommuniziert werden, um im Speicher 3314 gespeichert zu werden.
Der Prozessor 3312 ist auch elektronisch an ein Kommunikationsmodul 3316 gekoppelt. Das Kommunikationsmodul 3316 kommuniziert mit einem Operatormodul 3318. Das Operatormodul 3318 beinhaltet auch ein Kommunikationsmodul 3320, so dass das Operatormodul 3318 mit dem NMR-Modul 3304 kommunizieren kann. Eine Kommunikationsverbindung 3322 zwischen dem Operatormodul 3318 und dem NMR-Modul 3304 kann beispielsweise über eine hart verdrahtete Verbindung, eine optische Verbindung, akustische Verbindung und/oder eine drahtlose Verbindung hergestellt werden. Das Operatormodul 3318 beinhaltet einen Prozessor 3324 und einen Speicher 3326 (z. B. ein Computersystem). Der Prozessor 3324 und der Speicher 3326 unterstützen eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) 3328, wie einen Monitor, einen Touchscreen, eine Maus, eine Tastatur und/oder einen Joystick. Die Bedienungsperson kann mithilfe der GUI 3328 das NMR-Modul 3304 steuern und mit diesem kommunizieren. Der Prozessor 3324 ist auch elektronisch an ein oder mehrere Informationseingabegeräte 3330 gekoppelt. Das Eingabegerät 3330 ist ein einigen Ausführungsformen ein Anschluss zur Kommunikation mit einem entnehmbaren Medium (z. B. einer Diskette, CD-ROM, einem ROM, USB und/oder Festplatte). Das Eingabegerät 3330 ist in zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen ein Modem und/oder sonstiges Schnittstellengerät, das mit einem Computernetzwerk (z. B. Internet und/oder LAN) kommuniziert. Das NMR-Modul 3304 und das Operatormodul 3318 können in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, um aus der folgenden, nicht einschränkenden Liste ausgewählte Funktionen durchzuführen:

• Kommunizieren von Anweisungen an das NMR-Modul 3304, um NMR-Messungen zu initiieren und/oder zu beenden;
• Kommunizieren von Anweisungen, um Parameter von NMR-Sequenzen für das NMR-Modul 3304 zu ändern (z. B. Impulsamplitude der Sequenzen, Impulslängen, Zeitsteuerung zwischen den Impulsen, Form der Impulse und/oder Frequenz der Impulse);
• Kommunizieren von detektierten NMR-Signaldaten von dem NMR-Modul 3304 zu dem Operatormodul 3318;
• Kommunizieren von NMR-Pulssequenzen von dem Operatormodul 3318 zu dem NMR-Modul 3304;
• Durchführen der Analyse von detektierten NMR-Signaldaten, um NMR-Eigenschaften von Substanzen im Operatormodul 3318 und/oder dem NMR-Modul 3304 zu ermitteln,
• Anzeigen verschiedener Auftragungen von NMR-Eigenschaften im Operatormodul 3318 für die Bedienungsperson, und
• Herunterladen von NMR-Impulssequenzen von dem Operatormodul 3318 auf das NMR-Modul 3304.

Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf das in 33 gezeigte System 3300 beschränkt. Am System 3300 können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. In einer spezifischen Ausführungsform fehlt dem NMR-Modul 3304 beispielsweise der Prozessor 3312 und der Speicher 3314. In einer derartigen Ausführungsform unterstützen der Prozessor 3324 und der Speicher 3326 auf der Bedienungspersonenseite (Operatorseite) 3318 die Breitband-NMR-Elektronik 3310. In einigen Ausführungsformen können sich das NMR-Modul 3304 und das Operatormodul 3318 physisch in zwei getrennten Standorten befinden. In einer Bohrlochanwendung kann sich das NMR-Modul 3304 beispielsweise unten im Bohrloch befinden, während sich das Operatormodul 3318 an der Oberfläche befindet. Das NMR-Modul 3304 und das Operatormodul 3318 können sich in verschiedenen anderen Ausführungsformen physisch als Einzelsystem an demselben Ort befinden. Dies kann der Fall sein, wenn das System in einer Oberflächenumgebung verwendet wird, wie im Labor.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen ferner Anwendungen in Öl- und Gasfeldern. 34 zeigt ein Kabelsystem 3400, um in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung Mehr-Segment-Sequenzen auf eine Substanz 3402 anzuwenden. Das Kabelsystem 3400 wird verwendet, um in situ eine Substanz 3402 innerhalb einer Erdformation 3404 zu untersuchen, welche ein Bohrloch 3406 umgibt, um ein Charakteristikum der Substanz zu ermitteln (z. B. Charakteristika von Feststoffen und Flüssigkeiten innerhalb der Erdformation). Wie in 34 gezeigt ist, wird ein Kabelwerkzeug 3408 innerhalb des Bohrlochs 3406 angeordnet und an einem gepanzerten Kabel 3410 aufgehängt. Eine Kabellänge 3410 bestimmt die Tiefe des Kabelwerkzeugs 3408 innerhalb des Bohrlochs 3406. Die Länge des Kabels wird durch einen Mechanismus an der Oberfläche gesteuert, wie ein System aus Trommeln und Winden 3412. Obwohl in 34 das Kabelwerkzeug 3408 als Einzelkörper dargestellt ist, kann das Werkzeug alternativ separate Körper beinhalten.
Das Kabelwerkzeug 3408 beinhaltet, wie in 34 dargestellt ist, ein NMR-Loggingmodul 3414, das zur Anwendung von Mehr-Segment-Sequenzen verwendet wird. Das NMR-Loggingmodul 3414 beinhaltet eine Stirnseite 3416, die so geformt ist, dass sie mit minimalen Lücken oder minimalem Vorlauf in Kontakt mit der Bohrlochwand 3406 kommt. In einigen Ausführungsformen wird ein rückholbarer Arm 3418 verwendet, um den Körper des Kabelwerkzeugs 3408 und die Stirnseite 3416 gegen die Bohrlochwand 3406 zu pressen. Das NMR-Loggingmodul 3414 schließt auch eine elektromagnetische Vorrichtung 3420 ein, um an eine Empfindlichkeitszone 3422 innerhalb der Erdformation 3404 ein statisches Magnetfeld anzulegen. In einigen Ausführungsformen ist, wie bereits erläutert wurde, die elektromagnetische Vorrichtung 3420 ein Magnet oder eine Gruppierung von Magneten, der/die aus einem Magnetmaterial gebildet ist/sind.
Das NMR-Loggingmodul 3414 beinhaltet auch mindestens eine Spule 3424 und Breitband-NMR-Elektronik 3426, die elektronisch an die Spule gekoppelt ist. Die Spule 3424 und die Breitband-NMR-Elektronik 3426 legen ein oszillierendes Feld an den Bereich von Interesse 3428 innerhalb der Erdformation 3404 an. Der Bereich von Interesse 3402 befindet sich innerhalb der Empfindlichkeitszone 3422 der elektromagnetischen Vorrichtung 3420. Das an die Erdformation 3404 angelegte oszillierende Feld beinhaltet in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Mehr-Segment-Sequenzen, wie die bereits beschriebenen eingeschobenen Sequenzen. Das statische Magnetfeld und das oszillierende Feld generieren resonante Signale innerhalb des Bereichs von Interesse 3428. Diese resonanten Signale werden durch die Spule 3424 detektiert. Die detektierten resonanten Signale werden verwendet, um Charakteristika der Substanz 3402 innerhalb des Bereichs von Interesse 3428 zu ermitteln.
Das Kabelsystem 3400 beinhaltet Oberflächenausrüstung 3430 zum Halten des Kabelwerkzeugs 3408 innerhalb des Bohrlochs 3406. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Oberflächenausrüstung 3430 eine Stromversorgung, um dem Kabelwerkzeug 3408 elektrischen Strom zur Verfügung zu stellen. Die Oberflächenausrüstung 3430 beinhaltet auch eine Operatorschnittstelle zur Kommunikation mit dem NMR-Loggingmodul 3414. Eine derartige Operatorschnittstelle ist bereits in Bezug auf 33 beschrieben worden. Das NMR-Loggingmodul 3414 und das Operatormodul kommunizieren in einigen Ausführungsformen über das gepanzerte Kabel 3410.
35 zeigt ein anderes Kabelsystem 3500 für die Anwendung von Mehr-Segment-Sequenzen auf eine Substanz 3502 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Im Unterschied zu 34, die eine Ausführungsform zeigt, in der sich der Bereich von Interesse 3428 außerhalb der Spule 3424 befindet, zeigt 35 eine beispielhafte Ausführungsform, in der die Spule 3506 verwendet wird, um Substanzen zu analysieren, die sich innerhalb der Spule befinden. Das Kabelsystem 3500 schließt hierfür ein Flussleitungs-NMR-Modul 3508 ein. Das Flussleitungs-NMR-Modul 3508 beinhaltet eine Flussleitung (oder Kammer) 3510, die mindestens teilweise innerhalb der Spule 3506 angeordnet ist. Der innerhalb der Spule 3506 angeordnete Bereich der Flussleitung 3510 ist definiert als ein Bereich von Interesse 3504. Eine elektromagnetisches Vorrichtung 3512, wie ein Magnet oder eine Spule, kann verwendet werden, um an den Bereich von Interesse 3504 ein statisches Magnetfeld anzulegen. Ein Sondenmodul 3514 wird verwendet, um eine Erdformation 3516 zu sondieren. Aus dem Sondenmodul 3514 wird ein Formationsfluid in die Flussleitung 3510 gepumpt. Das Formationsfluid (z. B. Substanz) fließt durch die Flussleitung 3510 und in den Bereich von Interesse 3504, in dem das Formationsfluid mit einer Mehr-Segment-Sequenz analysiert wird, die durch die Spule 3506 und die Breitband-NMR-Elektronik 3518 angewendet wird. Das Formationsfluid wird in einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform an eine separate Kammer geleitet, die innerhalb der Spule angeordnet ist, und das Formationsfluid wird innerhalb der separaten Kammer analysiert. Nachdem die Analyse durchgeführt wurde, fließt das Formationsfluid in einigen Ausführungsformen in ein Auspumpmodul 3520, welches das Formationsfluid aus der Flussleitung 3510 entfernt.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auch in Logging-While-Drilling-(LWD)Systemen angewendet werden. 36 zeigt ein LWD-System 3600 zum Anwenden von Mehr-Segment-Sequenzen auf eine Substanz in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das LWD-System 3600 kann verwendet werden, um in situ eine Substanz 3602 innerhalb einer Erdformation 3604 zu untersuchen, welche ein Bohrloch 3606 umgibt, um ein Charakteristikum der Substanz zu ermitteln, während ein Bohrvorgang durchgeführt wird. Das LWD-System 3600 beinhaltet einen Bohrstrang 3608, der innerhalb des Bohrlochs aufgehängt ist. Der Bohrstrang 3608 beinhaltet einen Bohrkragen 3610 mit einem Bohreinsatz 3612, der am unteren Ende des Bohrkragens angeordnet ist. Das LWD-System 3600 beinhaltet auch ein Oberflächensystem mit einer Bohrmastzusammenstellung und Plattformzusammenstellung 3614, die über dem Bohrloch 3606 angeordnet sind. Die Bohrmastzusammenstellung 3614 dreht den Bohrstrang 3608, und der Bohreinsatz 3612 dringt während des Rotierens des Bohrstrangs tiefer in das Bohrloch 3606 ein. Innerhalb des Bohrkragens 3610 ist ein LWD-NMR-Loggingmodul 3616 angeordnet, so dass das Modul die umgebende Erdformation im Verlauf des Bohrvorgangs protokollieren kann. Das Loggingmodul 3616 kommuniziert mit Oberflächenausrüstung 3618, die eine Operatorschnittstelle zur Kommunikation mit dem Modul beinhaltet. Eine derartige Operatorschnittstelle ist bereits in Bezug auf 33 beschrieben worden. Das NMR-Loggingmodul 3616 und das Operatormodul können in verschiedenen Ausführungsformen über irgendeine von einer verdrahteten Bohrgestängeverbindung, einer akustischen Telemetrieverbindung, optischer Kommunikation und/oder elektronischer Kommunikation kommunizieren.
37 zeigt ein LWD-NMR-Loggingmodul 3700 für die Anwendung von Mehr-Segment-Sequenzen auf eine Substanz 3702 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Modul 3700 beinhaltet einen zylindrischen Magneten 3704, der innerhalb einer Empfindlichkeitszone 3706 innerhalb der Erdformation ein statisches Magnetfeld generiert. Das Modul 3700 beinhaltet auch einen Bohrkragen 3708 mit einem axialen Schlitz 3710. In dem Schlitz 3710 ist eine Spule 3712 angeordnet, und der Schlitz ist mit keramischem Isoliermaterial gefüllt. Der Schlitz 3712 ist mit einer Abdeckung 3714 versiegelt. Die Abdeckung 3714 ist in einigen Ausführungsformen aus einem nicht-magnetischen Material und/oder nicht-leitendem Material gebildet. Die Spule 3712 ist aus mindestens zwei völlig entgegengesetzten Leitern zusammengesetzt. Die Leiter sind an einem Ende über den Bohrkragen 3708 geerdet. Am anderen Ende sind die Leiter an die Breitband-NMR-Elektronik 3716 gekoppelt. Die Breitband-NMR-Elektronik 3716 beinhaltet einen Transformator, und die Leiter sind beispielsweise über Druckdurchführungen an den Transformator gekoppelt. Der Transformator 3718 hält eine 180° Phasendifferenz zwischen den Strömen in den völlig entgegengesetzten Leitern aufrecht. Die Spule 3712 legt ein oszillierendes Magnetfeld an einen Bereich von Interesse 3720 innerhalb der Empfindlichkeitszone 3706 an. Das oszillierende Magnetfeld ist in einigen Ausführungsformen axial symmetrisch, um Messungen während der Rotation des Bohrstrangs zu erleichtern. Das an die Erdformation angelegte oszillierende Feld beinhaltet in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Mehr-Segment-Sequenzen. Spule 3712 kann in zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen auch so konfiguriert sein, dass der Bohrkragen 3708 selbst das oszillierende Magnetfend erzeugt. In US-Patent Nr. 5,629,623 , erteilt am 13. Mai 1997, sind weitere Einzelheiten zu NMR-LWD-Systemen beschrieben.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf Bohrlochanwendungen in Ölfeldern beschränkt, wie LWD-Systeme und Kabelsysteme. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auch in Oberflächenumgebungen, wie in Labors, implementiert werden. Beispielhafte Ausführungsformen sind ferner nicht auf Anwendungen in Öl- und Gasfeldern beschränkt. Verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen können auch in der chemischen Produktion, Nahrungsmittelproduktion, Materialprüfung und Infrastrukturprüfung (z. B. Gebäude und Brücken) Anwendung finden. In einer bestimmten Ausführungsform kann Käse mit Mehr-Segment-Sequenzen analysiert werden, um innerhalb des Käses ein Fett-zu-Wasser-Verhältnis zu bestimmen. Im speziellen Beispiel der Analyse von Käse kann eine zweidimensionale Messung erfolgen. Die Effizienz einer derartigen Messung kann mithilfe der zuvor beschriebenen Systeme und Impulssequenzen erhöht werden.
Das hier beschriebene Breitband-NMR-System und die hier beschriebenen Vorrichtungen einschließlich des Senders 3214 und des Empfängers 3206 sind zudem nicht auf die Implementierung von NMR-Techniken und Sequenzen beschränkt. Die hier beschriebenen Systeme und Vorrichtungen können auch verwendet werden, um andere Magnetresonanz-(MR)-Techniken und -Sequenzen zu implementieren, wie Kernquadrupolresonanz-(NQR)-Techniken und -Sequenzen. Ein hier beschriebener Empfänger 3206 kann beispielsweise zur Verarbeitung von NQR-Signalen verwendet werden, die von einer Substanz erhalten wurden.
Obwohl zuvor detailliert mehrere beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, werden Fachleute leicht erkennen, dass in den beispielhaften Ausführungsformen viele Modifikationen möglich sind, ohne von dem Umfang dieser Offenbarung wesentlich abzuweichen. Demnach sollen alle derartigen Modifikationen hier in den Umfang dieser Offenbarung eingeschlossen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2012/0001629 [0169]
US 5629623 [0183]

Claims

Magnetresonanz-(MR)-Empfänger zur Verarbeitung von MR-Signalen, wobei der Empfänger umfasst: einen Transformator, der zur Verstärkung der MR-Signale konfiguriert ist, und einen Vorverstärker, der zum Empfangen der MR-Signale von dem Transformator konfiguriert ist, wobei der Vorverstärker umfasst: eine Sourcefolgerstufe und eine Common-Source-Verstärkerstufe.
Empfänger nach Anspruch 1, wobei die Common-Source-Verstärkerstufe eine Vielzahl von parallel gekoppelten Common-Source-Verstärkern umfasst.
Empfänger nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten Transformator, der zwischen der Sourcefolgerstufe und der Common-Source-Verstärkerstufe gekoppelt ist, wobei der zweite Transformator die MR-Signale weiter verstärkt.
Empfänger nach Anspruch 1, wobei die Common-Source-Verstärkerstufe der Sourcefolgerstufe folgt.
Empfänger nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Induktor, der an mindestens einen Transistor innerhalb der Sourcefolgerstufe gekoppelt ist.
Empfänger nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Rückkopplungsnetzwerk, das an den Vorverstärker gekoppelt ist und konfiguriert ist, um die Einschwingzeit des Vorverstärkers zu reduzieren.
Empfänger nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Diodenklemme, die zwischen dem Transformator und dem Vorverstärker angeordnet ist.
Empfänger nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Tiefpassfilter und einen Hochpassfilter, wobei der Tiefpassfilter und der Hochpassfilter nach dem Vorverstärker angeordnet sind.
Empfänger nach Anspruch 1, wobei der Empfänger Teil eines Bohrlochwerkzeugs zur Untersuchung von Erdformationen ist.
Empfänger nach Anspruch 9, wobei das Bohrlochwerkzeug ein Logging-While-Drilling-Werkzeug ist.
Magnetresonanz-(MR)-System, umfassend: eine Spule zum Anlegen der MR-Impulssequenzen an eine Substanz und Empfangen von MR-Signalen von der Substanz; einen Sender zum Bereitstellen der MR-Impulssequenzen an die Spule; einen Empfänger zum Empfangen der MR-Signale von der Spule und zum Verarbeiten der MR-Signale, wobei der Empfänger umfasst: einen Transformator, der zur Verstärkung der MR-Signale konfiguriert ist; einen Vorverstärker, der zum Empfangen der MR-Signale von dem Transformator konfiguriert ist, wobei der Vorverstärker umfasst: eine Sourcefolgerstufe und eine Common-Source-Verstärkerstufe.
System nach Anspruch 11, wobei die Common-Source-Verstärkerstufe eine Vielzahl von parallel gekoppelten Common-Source-Verstärkern umfasst.
Empfänger nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen zweiten Transformator, der zwischen der Sourcefolgerstufe und der Common-Source-Verstärkerstufe gekoppelt ist, wobei der zweite Transformator die MR-Signale weiter verstärkt.
Empfänger nach Anspruch 11, wobei der Sender eine nicht-resonante Senderschaltung umfasst.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen Duplexer, der zwischen der Spule und dem Empfänger angeordnet ist, wobei der Duplexer den Empfänger von der Spule entkoppelt, wenn das System im Sendemodus arbeitet.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend: ein Rückkopplungsnetzwerk, das an den Vorverstärker gekoppelt ist und konfiguriert ist, um die Einschwingzeit des Vorverstärkers zu reduzieren.
System nach Anspruch 1, wobei das System Teil eines Bohrlochwerkzeugs ist.
Magnetresonanz-(MR)-Empfänger zur Verarbeitung von MR-Signalen, wobei der Empfänger umfasst: einen Transformator, der zur Verstärkung der MR-Signale konfiguriert ist; einen Vorverstärker zum Empfangen der MR-Signale von dem Transformator; und ein Rückkopplungsnetzwerk, das an den Vorverstärker gekoppelt ist.
Verfahren zum Verarbeiten eines Magnetresonanz-(MR)-Signals, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen des MR-Signals; Verstärken des MR-Signals mithilfe eines Transformators; Leiten des MR-Signals durch eine Sourcefolgerstufe und Verstärken des MR-Signals mithilfe einer Common-Source-Verstärkerstufe.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Verstärken des MR-Signals mithilfe eines zweiten Transformators nach dem Leiten des MR-Signals durch eine Sourcefolgerstufe und vor dem Verstärken des MR-Signals mithilfe einer Common-Source-Verstärkerstufe.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Durchführen des Verfahrens in einem Bohrloch.