DE102021118736A1 - Verfahren und System zur Bestimmung eines Bodenwassergehalts mittels NMR - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Wassergehalts eines Untergrundes mittels NMR, umfassend die Schritte:- Anordnen einer Präpolarisationseinrichtung, insbesondere umfassend eine Präpolarisations-Spule, zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie einer Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere umfassend eine Empfangs-Spule, zum Empfangen eines Messsignals, insbesondere auf einer Oberfläche eines zu untersuchenden Untergrundes,- Erzeugen eines Magnetfeldes im Untergrund mittels der Präpolarisations-Spule durch Anlegen eines elektrischen Gleichstromes für eine bestimmte Pulsdauer, und- Erfassen und Auswerten des Messsignals durch die Magnetfeld-Messeinrichtung nach dem Abschalten der Präpolarisations-Spule.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Bestimmung eines Bodenwassergehalts mittels NMR (nuklear-magnetische Resonanz).
• Die in Böden gespeicherte Feuchtigkeit ist für eine Vielzahl von ökologischen Prozessen entscheidend. Durch seine Funktion als Schnittstelle zwischen Atmosphäre und Lithosphäre spielt der Boden eine wesentliche Rolle beim Transfer von Wasser, den darin gelösten Stoffen sowie der damit verbundenen Energie. Zur Bestimmung der räumlichen Verteilung des Wassergehaltes im Untergrund hat sich in den letzten Jahren die Methode der Oberflächen-NMR (SNMR) als Alternative zu z. B. geoelektrischen bzw. radargestützten Methoden etabliert (Behroozmand, A., Keating, K., Auken, E., 2014. A Review of the Principles and Applications of the NMR Technique for Near-Surface Characterization. Surveys in Geophysics 36, 27-85). Dabei erfolgt eine direkte Messung des Wassergehaltes mittels NMR. Hauptanwendungsfall der SNMR ist die Charakterisierung von Grundwasserleitern mittels punktueller Messungen (Sondierungen) mit Eindringtiefen zwischen 10 und 150m je nach Fragestellung. Erst seit wenigen Jahren wird SNMR auch für vergleichsweise oberflächennahe und lokal hochaufgelöste Studien genutzt (Spulengröße/Eindringtiefe bis max. 3m). Ein Merkmal der SNMR ist die Anordnung der Messapparatur auf einer Fläche oberhalb eines zu erkundenden Untergrundes (wobei sich oberhalb nicht zwingen auf den Schwerkraftvektor bezieht, sich also beispielsweise auch der Untergrund, z. B. im Falle einer Tunneldecke oder Tunnelwand oberhalbe bzw. seitlich zur Messapparatur, bezogen auf den Schwerkraftvektor, befinden kann) und eine damit verbundene freie Ausbreitung der verwendeten inhomogenen Magnetfelder in das zu erkundende Volumen.
• Es gibt jedoch Limitationen bei der Anwendung von kleinskaliger SNMR. Erstens kann die kleine Amplitude des Nutzsignals und die damit verbundene Anfälligkeit gegenüber externen elektromagnetischen (EM) Störquellen die Parametergenauigkeit, die Eindringtiefe, das räumliches Auflösungsvermögen und den Messfortschritt limitieren. Zweitens kann durch die z. B. in Böden oder Ton vorherrschenden NMR-Parameter (geringer Wassergehalt, kurze Abklingzeiten) die etablierte SNMR-Signalanregung mit elektromagnetischen Pulsen (EM-Puls) an technische Grenzen stoßen, d.h. das NMR-Signal ist bereits zu großen Teilen abgeklungen bevor die eigentliche Aufzeichnung beginnt.
• Nachfolgend wird die sogenannte Standard-SNMR-PP-Methode (PP für Präpolarisation) weiter erläutert. Im ungestörten Zustand präzedieren Spins (als quantenphysikalische Eigenschaft des Protons) von im Wasser enthaltenen Wasserstoff-Protonen um das Erdmagnetfeld B₀ mit einer charakteristischen Frequenz, der Larmorfrequenz (im Erdmagnetfeld ca. 2kHz). Da sich die Spins bevorzugt an der Achse des Erdmagnetfeldes ausrichten wird ein kleines magnetisches Moment M₀ erzeugt, das proportional zu der Stärke des Erdmagnetfeldes B₀ ist. Im Fall von SNMR-PP ist das magnetische Moment M_pp proportional zu B₀+B_PP, wobei B_PP das magnetische Feld einer Präpolarisations-Spule ist. Je größer also B_PP ist, umso größer ist auch M_pp. Im Gegensatz zum lokal homogenen Erdmagnetfeld ist das Präpolarisationsfeld inhomogen, so dass das resultierende Feld B₀+B_PP ebenfalls inhomogen ist. Die verstärkte Magnetisierung M_PP verschwindet nicht sofort nach Abschalten des Präpolarisationsfeldes. Ist der Abschaltvorgang adiabatisch, d.h. die adiabatische Bedingung (instantane Präzessionsfrequenz > > Winkeländerung des resultierenden Feldes B₀+B_pp) ist während des gesamten Abschaltvorganges erfüllt, dann klingt M_pp mit der Relaxationszeit T₁, einer von Fluid (hier Wasser) und Porenraum (hier Boden) abhängigen Größe, auf M₀ ab. Für Böden liegt T₁ meist im Bereich von 10 ms bis 200 ms, für Ton im Bereich 1-10 ms.
• Um ein messbares Signal zu erzeugen, wird in der Standard SNMR-PP ein EM-Puls mit der Larmorfrequenz mittels einer auf der Oberfläche liegenden Spule erzeugt, der die Protonen aus ihrer Gleichgewichtslage auslenkt. Somit wird auch M_pp aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt und in einen angeregten Zustand M₁ überführt. Nach dem Abschalten des Anregepulses orientieren sich die Spins, und somit auch M₁, wieder in Richtung ihrer Gleichgewichtslage M₀, parallel zu B₀.
• Während dieses Relaxationsprozesses präzediert die Komponente von M₁, die senkrecht auf B₀ steht, um B₀ und induziert dabei ein an der Oberfläche messbares Signal (z. B. eine Spannung in einer an der Oberfläche liegenden Spule). Dieses Signal klingt exponentiell mit der Relaxationszeit T₂* ab: $$s\left(t\right)={\text{s}}_0\text{exp}\left(-\text{t}/{\text{T}}_2*\right)cos\left({\omega }_{L}t+\phi \right),$$

  

  wobei s₀ die Anfangsamplitude zum Zeitpunkt t=0, ω_L die Larmorfrequenz und φ die Phase des Empfangssignals in Bezug auf den Anregepuls ist. Detaillierte Ausführungen hierzu findet man z. B. in Hertrich, M., Braun, M., Yaramanci, U., 2005. Magnetic resonance soundings with separated transmitter and receiver loops. Near Surface Geophysics 3,141-154; Müller-Petke, M. Yaramanci, U., 2015. Nuclear Magnetic Resonance. In: Treatise in Geophysics, 2nd edition, Volume 11. Oxford: Elsevier, 419-445.
• Eine Standard-SNMR-PP Messsequenz gemäß dem gegenwärtigen Stand der Technik lässt sich vereinfacht wie folgt charakterisieren:
1. 1. Anschalten des Präpolarisationsfeldes PP (0.5-5 s je nach T₁-Zeit)
2. 2. Idealerweise langsames, adiabatisches Abschalten des Präpolarisationsfeldes (ca. 2-10 ms)
3. 3. Senden des Anregepulses (1-40 ms)
4. 4. Empfangen des Messsignals (ca. 1-2 s).
• In den aktuell verfügbaren SNMR-Geräten gibt es jeweils zwischen Punkt 2 und 3 sowie zwischen Punkt 3 und 4 eine geräteabhängige Wartezeit (Totzeit) von mehreren Millisekunden, z. B. zum Schutz der Apparatur vor zu hohen induzierten Spannungen. Diese Wartezeiten haben verschiedene Implikationen. Zum einen sollte die Wartezeit zwischen Punkt 2 und Punkt 3 so kurz wie möglich sein, da die Verstärkung des Magnetfeldes mit der Relaxationszeit T₁ abklingt. Wäre die T₁-Zeit des Bodens beispielsweise 50 ms und die Dauer für Wartezeit (10 ms) + Anregepuls (40 ms) ebenfalls 50 ms, dann betrüge die Verstärkung nur noch 36%. Zum anderen sollte ebenfalls die Wartezeit zwischen Punkt 3 und 4 so kurz wie möglich sein, da sonst Signalanteile die eine kürzere T₂*-Zeit haben als die Wartezeit (z. B. Wasser in kleinen Poren) nicht mehr detektiert werden können.
• Die Nutzung von Präpolarisationsfeldern zur Verstärkung des NMR-Signals geht aus frühen Versuchen zu NMR-Messungen an Laborproben (wenige Kubikzentimeter Volumen) im Erdmagnetfeld hervor (Packard, M. , Varian, R., 1953. Free Nuclear Induction in the Earth's Magnetic Field, Physical Review 93,941; Manley, C. E., Pollak, L., 1967. Proton Spin Relaxation and the Acid Dissociation of the Cr(H20)6 Complex Ion. The Journal of Chemical Physics 46(6), 2106-2108; Melton, B. F., Pollak, L., 1969. Proton Spin Relaxation and Exchange Properties of Hydrated Chromic Ions in H20 and H2O-D20 Mixtures. The Journal of Physical Chemistry 73(11), 3669-3679). Hierbei waren jedoch, im Gegensatz zu SNMR-PP, Präpolarisationsfeld B_pp und somit auch die verstärkte Magnetisierung M_pp homogen.
• Schaltet man in so einem Aufbau das Präpolarisationsfeld schnell genug ab, dann ist die adiabatische Bedingung während der Abschaltung nicht mehr in allen Bereichen des Untergrundes erfüllt , d.h. die verstärkte Magnetisierung M_pp ist nach der Abschaltung nicht perfekt parallel zum Erdmagnetfeld B₀ ausgerichtet (Melton, B.F., Pollak, V.L., Mayes, T.W., Willis, B.L., 1995. Condition for Sudden Passage in the Earth's Field NMR Technique. Journal of Magnetic Resonance 117,164-170). Es existieren somit zwei Komponenten der verstärkten Magnetisierung M_pp: eine Komponente parallel (M_par) und eine Komponente senkrecht (M_senk) zum Erdmagnetfeld.
• In der Standard SNMR-PP Anwendung wird davon ausgegangen, dass nach der möglichst adiabatischen Abschaltung der Präpolarisation nur noch die Komponente M_par vorhanden bzw. sehr viel größer als M_senk ist. Da M_par parallel zum Erdmagnetfeld orientiert ist, muss sie erst wie oben beschrieben mit einem EM-Puls angeregt werden. In Hiller, T., Dlugosch, R., Müller-Petke, M., 2020. Utilizing pre-polarization to enhance SNMR signals-effect of imperfect switch-off. Geophysical Journal International 222(2), 815-826 konnte gezeigt werden, dass es für kleinskalige SNMR-PP Anwendungen praktisch nicht möglich ist, dass die adiabatische Bedingung in allen Volumenelementen erfüllt ist und damit nicht 100% der Amplitude von M_pp nach M₁ überführt wird, d. h. nach der Präpolarisations-Abschaltung ist die Senkrechtkomponente M_senk nicht mehr vernachlässigbar klein. Der Grund hierfür ist die inhärente nicht ideale Abschaltung des Präpolarisationsfeldes B_pp. In einer kleinskaligen SNMR-PP Anwendung mit vergleichsweise kurzen Abschaltzeiten von z. B. ca. 1 ms ist dieser Effekt daher nicht mehr zu vernachlässigen.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile im Stand der Technik zu beseitigen oder zumindest zu reduzieren. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie ein System zur Bestimmung eines Bodenwassergehalts mittels NMR vorzuschlagen, wobei auf eine vergleichsweise einfache Art und Weise eine möglichst präzise Messung ermöglicht werden soll.
• Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Wassergehalts (eines Untergrundes) mittels NMR, umfassend die Schritte:
• - Anordnen einer Präpolarisationseinrichtung (insbesondere Präpolarisations-Spule) zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie einer Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere umfassend (oder gebildet aus) eine(r) Empfangs-Spule (und/oder eines geeigneten Magnetfeldsensors, z. B. SQUID) zum Empfangen eines Messsignals, insbesondere auf einer Oberfläche eines (hinsichtlich seines Wassergehaltes) zu untersuchenden Untergrundes,
• - Erzeugen eines Magnetfeldes B_pp im Untergrund mittels der Präpolarisations-Spule durch Anlegen eines elektrischen Gleichstromes (insbesondere für eine bestimmte Pulsdauer), insbesondere zur Verstärkung und Auslenkung der Magnetisierung M₀ im Untergrund durch B_pp (das nicht überall parallel zu B₀ steht)
• - Erfassen (und Auswerten) des Messsignals durch die Magnetfeld-Messeinrichtung nach dem (insbesondere im unmittelbaren Anschluss an das) Abschalten der Präpolarisations-Spule.
• Vorzugsweise erfolgt eine Verstärkung und teilweise Auslenkung der Magnetisierung M₀ im Untergrund durch das (vergleichsweise starke) Magnetfeld der Präpolarisationsspule, das nicht überall parallel zu B₀ steht.
• Ein Abschalten des Gleichstromes in der Präpolarisationsspule kann in einer Art (z.B. vergleichsweise schnell) erfolgen, so dass die adiabatische Bedingung mindestens in einem Teil des Untergrundes bzw. untersuchten Volumens nicht erfüllt ist.
• Die Feuchtigkeit des Untergrundes kann nicht-invasiv (flächenhaft) bis in eine Eindringtiefe von z. B. maximal zwei Metern detektiert werden. Insbesondere bei einer kompakten Bauweise des Sensors und einer damit einhergehenden geringen Größe des zu beprobenden Volumens, kann so eine hohe räumliche Auflösung erzielt werden.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das SNMR-PP-Verfahren ohne EM-Anregepuls bei Larmorfrequenz durchgeführt werden bzw. eine Erfassung und Auswertung des Messsignals im unmittelbaren Anschluss an das nichtadiabatische Abschalten der Präpolarisations-Spule erfolgen (und nicht erst nachdem ein EM-Anregepuls bei Larmorfrequenz, wie oben beschrieben, abgegeben worden ist).
• Es wird insbesondere ausgenutzt, dass die Senkrechtkomponente M_senk mit der Larmorfrequenz um das Erdmagnetfeld präzediert und ein messbares Signal erzeugt.
• Erfindungsgemäß wurde insbesondere erkannt, dass ein solches Verfahren nicht nur im Labor (bei Proben, die passend ausgebildet und angeordnet werden können, z.B. mit einer die Probe umschließenden Anordnung), sondern auch bei SNMR funktioniert (also bei einem Messvolumen, das mit einer Messanordnung vermessen wird, die oberhalb des zu vermessenden Volumens angeordnet wird und in dem das Präpolarisationsfeld in dem zu vermessenden Volumen eine große Bandbreite an Feldstärken und Orientierungen besitzt).
• Die Messung kann auch beispielsweise in einem Tunnel oder einer Höhle erfolgen, wobei der Untergrund dasjenige Volumen hinter der Oberfläche meint, das vermessen wird. Bezogen auf den Schwerkraftvektor kann dieses Volumen oberhalb oder unterhalb oder seitlich zu der Messanordnung befindlich sein.
• Mit dem vorliegenden Verfahren kann ggf. ein Messvolumen (des Untergrundes) von mindestens 1,0 m³, ggf. 10 m³ vermessen werden.
• Die Bestimmung eines Wassergehaltes kann aus dem Verhältnis der gemessenen NMR Amplitude bezüglich einer Kalibrationsmessung über einem mit 100% Wasser gefüllten Halbraum erfolgen.
• Vorzugsweise kann ein Verstärkungs- bzw. Signalverlust durch eine nicht-ideale Abschaltung der Präpolarisation durch eine Modellierung quantifiziert werden. Dazu kann beispielsweise eine Algorithmik herangezogen werden, die es erlaubt, eine NMR-Spin-Dynamik (also zeitliche Veränderung der Magnetisierung M innerhalb eines Magnetfeldes B) im Untergrund (hoch aufgelöst) zu berechnen. Dadurch können die Komponenten M_par und M_senk für SNMR-PP ortsaufgelöst quantifiziert werden.
• Insbesondere wurde erfindungsgemäß berücksichtigt, dass analog zu der obigen Beschreibung von Experimenten mit Laborproben im Magnetfeld, auch in der SNMR-PP die Magnetfeldkomponente M_senk nach dem Abschalten der Präpolarisations-Spule um das Erdmagnetfeld B₀ präzidiert und so ein messbares Signal in den an der Oberfläche platzierten Sensoren erzeugt. Hierfür muss im Gegensatz zur Standard SNMR-PP kein EM-Anregepuls bei Larmorfrequenz in den Untergrund induziert werden. Ein Signal, das durch die Präzessionsbewegung von M_senk induziert wird, klingt ebenfalls exponentiell mit einer Relaxationszeit T₂* ab und erlaubt analog zur Standard SNMR-PP eine (unmittelbare) Quantifizierung des Wassergehaltes und eine Charakterisierung eines Probenraums über die Anfangsamplitude bzw. Relaxationszeit.
• Durch eine derartige (insbesondere ohne EM-Anregepuls bei Larmorfrequenz erfolgende) SNMR-PP-Methode ergeben sich verschiedene Vorteile. Zum einen ist es möglich, einen robusten und kostengünstigen Feuchte-Sensor zu konstruieren, der ohne komplexe und technisch aufwändige Elektronik zur Erzeugung eines EM-Anregepulses auskommt. Ohne EM-Anregepuls kann (unmittelbar) nach Abschaltung des Präpolarisationsfeldes ein NMR-Signal aufgezeichnet werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, auch sehr kurze T₂*-Relaxationszeiten bzw. Wasser in kleinen Poren zu detektieren. Durch die Signalverstärkung durch die Präpolarisationsspule ist außerdem ein höherer Messfortschritt im Vergleich zu einer SNMR Messung ohne Präpolarisation möglich, der es erlaubt, SNMR-PP auch für Kartierungsmessungen zu nutzen.
• Vorzugsweise erfolgt das Auswerten unter Berücksichtigung einer Modellierung (insbesondere mittels einer Modellierungssoftware) eines (unter Zugrundelegung einer bestimmten Hypothese) zu erwartenden Messsignales.
• Bei dieser Modellierung geht es vorzugsweise (noch) nicht um die Bestimmung des Wassergehaltes per se, sondern insbesondere um einen vorbereitenden Schritt (in dem insbesondere die räumliche Sensitivität der Messanordnung bei den verwendeten Mess- und Umgebungsparametern bestimmt bzw. ausgewertet wird) der es ermöglicht, die eigentliche Messung bzw. das tatsächliche Messsignal einzuordnen bzw. auszuwerten. Insofern kann das tatsächliche Messsignal vorzugsweise mit einem modellierten Messsignal verglichen werden. Wird die Modellierung beispielsweise unter der Hypothese (bzw. Annahme) eines Wassergehaltes von 100% durchgeführt und daraus ein bestimmtes (modelliertes) Messsignal abgeleitet, insbesondere berechnet, jedoch bei einer tatsächlichen Messung (ggf. unter Berücksichtigung der Totzeit) eine Magnetisierung festgestellt, die nur halb so groß ist, kann dies einen Wassergehalt von nur 50% bedeuten.
• Konkret kann die Modellierung folgende Schritte umfassen:
• - Modellierung eines Magnetfeldes B_PP der Präpolarisations-Spule für eine Vielzahl von Volumenelementen des Untergrundes und Ableitung einer Magnetisierung M_pp (unter Zugrundelegung einer/der Hypothese über den Wassergehalt des Untergrundes),
• - Modellierung der Magnetisierung während des Abschaltvorganges der Präpolarisations-Spule, insbesondere mittels der Bloch-Gleichungen,
• - eine Modellierung eines virtuellen Magnetfeldes der Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere Empfangs-Spule, und
• - eine Berechnung, insbesondere Bestimmung, eines zu erwartenden Messsignals (für die Magnetisierung).
• Konkret kann eine Modellierung der Magnetisierung während des Abschaltvorganges der Präpolarisations-Spule mittels der Bloch-Gleichungen erfolgen, gemäß: $$\frac{\text{dM}}{dt}=\text{M}\times \gamma \text{B}$$

  
• In jedem Volumenelement kann der Abschaltvorgang abhängig sein von
• a. Form und Dauer der Abschaltrampe
• b. Stärke des Präpolarisationsfeldes B_pp
• c. Stärke des Erdmagnetfeldes B₀
• d. Relativer Orientierung des Präpolarisationsfeldes zum Erdmagnetfeld vor der Abschaltung.
• Während des Abschaltvorganges kann sich in jedem Zeitschritt das Magnetfeld B=B_PP+B₀ in obiger Gleichung aufgrund der sich ändernden Parameter a, b und d ändern.
• Das Resultat ist ein Vektor der Magnetisierung M_pp in jedem Volumenelement nach der Abschaltung.
• Eine Modellierung des (virtuellen) Magnetfeldes der auf der (Erd-)Oberfläche befindlichen Magnetfeld-Messeinrichtung (z.B. Empfangs-Spule) ergibt eine Empfänger-Sensitivität. Unter einem virtuellen Magnetfeld ist ein Magnetfeld zu verstehen, das vorläge, wenn es sich bei der Magnetfeld-Messeinrichtung bzw. Empfangs-Spule um eine sendende Einrichtung handeln würde.
• Die Berechnung des (zu erwartenden) Messsignals (Empfangssignals) kann auf Basis einer Integration aller Volumenelemente gemäß der räumlichen Sensitivität (Kernfunktion) einer Magnetresonanzsondierung erfolgen.
• Alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Modellierung kann eine Kalibration durchgeführt werden, insbesondere indem eine Messung oberhalb eines Untergrundes mit bekannten Eigenschaften hinsichtlich seines Wassergehaltes durchgeführt wird, beispielsweise eine Messung oberhalb eines Wassertanks durchgeführt wird. Diese Kalibrationsmessung kann unter identischen Mess- und Umgebungsparametern erfolgen.
• Besonders bevorzugt ist der Wassergehalt auch bei einer Kalibrierung 100% (z. B. im Falle eines Wassertanks). Wenn dann die eigentliche Messung des Untergrundes mit unbekannten Eigenschaften durchgeführt wird, kann das Messsignal mit dem während der Kalibrierung erhaltenen Messsignal verglichen werden. Auch hier gilt wieder beispielsweise, dass eine Magnetisierung, die nur 50% der Magnetisierung in der Kalibrationsmessung entspricht, auf einen Wassergehalt von 50% hinweist.
• Vorzugsweise (insbesondere unter Anwendung der Modellierung, wie oben erläutert) kann eine Messkonfiguration entworfen und/oder umgesetzt werden, die hinsichtlich ihrer Konfigurationsparameter, wie beispielsweise einer Größe, Form und/oder einer (relativen) Orientierung von Präpolarisations-Spule und/oder Messeinrichtung zum Erdmagnetfeld B₀, insbesondere Empfangs-Spule; und/oder einer Stromstärke zur Erzeugung des Präpolarisationsfeldes; und/oder einer Abschaltcharakteristik der Präpolarisations-Spule an die zu messende Größe und/oder bereits bekannte Parameter betreffend den Untergrund angepasst wird, insbesondere diesbezüglich optimiert wird.
• Konkret kann mit Hilfe einer Modellierungssoftware (zur Durchführung der obigen Modellierung) ein Spulenlayout entworfen werden, das der Fragestellung angemessen ist.
• Vorzugsweise werden experimentelle Parameter variiert, insbesondere um verschiedene räumliche Sensitivitäten (z. B. Eindringtiefe) zu erzielen und/oder den Wassergehalt des Untergrundes räumlich aufgelöst zu bestimmen.
• In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Magnetfeld-Messeinrichtung einen SQUID (SQUID für: super conducting quantum interference device) oder anderen geeigneten Magnetfeldsensor. Mit Hilfe eines derartigen Sensors können auch parallele Komponenten der Magnetisierung erfasst und entsprechend ausgewertet werden.
• Vorzugsweise wird auf einen separaten Anregepuls verzichtet.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein System zur Bestimmung eines Wassergehalts mittels NMR, vorzugsweise zur Durchführung des obigen Verfahrens, umfassend:
• - eine Präpolarisationseinrichtung, insbesondere umfassend eine Präpolarisations-Spule, oder gebildet durch eine solche zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie eine Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere umfassend eine Empfangs-Spule oder gebildet durch eine solche (und/oder umfassend einen geeigneten Magnetfeldsensor), zum Empfangen eines Messsignals, insbesondere auf einer Oberfläche eines zu untersuchenden Untergrundes,
• - eine Auswerteeinheit, die konfiguriert ist, ein durch die Magnetfeld-Messeinrichtung erfasstes Messsignal nach dem Abschalten der Präpolarisations-Spule auszuwerten.
• Präpolarisations-Einrichtung, Magnetfeld-Messeinrichtung und Auswerteeinheit sind vorzugsweise konfiguriert, um die obigen Verfahrensschritte durchzuführen.
• Die Auswerteeinheit kann einen (Mikro-) Prozessor, einen (elektronischen) Speicher, eine Eingabe-/Ausgabe-Einrichtung und ggf. ein Display aufweisen.
• Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Computerprogrammprodukt für das obige Verfahren oder als Bestandteil des obigen Systems, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das folgende Verfahren auszuführen:
• - Modellierung eines Magnetfeldes B_PP der Präpolarisations-Spule für eine Vielzahl von Volumenelementen des Untergrundes unter Zugrundelegung einer Hypothese über den Wassergehalt des Untergrundes, beispielsweise unter Zugrundelegung der Hypothese, dass der Untergrund zu 100% mit Wasser ausgefüllt ist,
• - Modellierung der Magnetisierung während des Abschaltvorgangs der Präpolarisations-Spule, insbesondere mittels der Bloch-Gleichungen
• - Modellierung eines virtuellen Magnetfeldes der Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere Empfangs-Spule, und
• - Berechnung eines zu erwartenden Messsignales.
• Weiterhin wird die obige Aufgabe insbesondere gelöst durch ein computerlesbares Speichermedium, für das obige Verfahren oder als Bestandteil des obigen Systems, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen das folgende Verfahren auszuführen:
• - Modellierung eines Magnetfeldes B_PP der Präpolarisations-Spule für eine Vielzahl von Volumenelementen des Untergrundes unter Zugrundelegung einer Hypothese über den Wassergehalt des Untergrundes, beispielsweise unter Zugrundelegung der Hypothese, dass der Untergrund zu 100 % mit Wasser ausgefüllt ist,
• - Modellierung der Magnetisierung während des Abschaltvorgangs der Präpolarisations-Spule, insbesondere mittels der Bloch-Gleichungen
• - Modellierung eines virtuellen Magnetfeldes der Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere Empfangs-Spule, und
• - Berechnung eines zu erwartenden Messsignales.
• In Ausführungsformen kann ggf. (nur) ein mittlerer (räumlich nicht-aufgelöster) Wassergehalt aus einem Experiment bestimmt werden. Gegebenenfalls kann eine Inversionsrechnung durchgeführt werden, um aus Daten von zwei (oder mehr) Experimenten mit verschiedenen räumlichen Sensitivitäten den Wassergehalt des Untergrundes räumlich aufgelöst zu bestimmen.
• Mit Hilfe der Inversionsrechnung (d. h. der Anwendung der Modellierung bzw. Modellierungssoftware) können sich gemessene Signalstärken in räumliche Wassergehaltsverteilungen (z. B. tiefenaufgelöst) überführen lassen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Messsystem (Messgerät) auch ohne Inversionsrechnung betrieben werden und es können ggf. nur relative Änderungen der Signalstärke bezüglich einer Änderung der räumlichen Messposition (laterales Mapping) aufgezeichnet werden. Weiterhin kann das Messgerät über einem Wasserbecken kalibriert werden, um ohne Inversionsrechnung eine Überführung der Signalstärke zu erreichen. Gegebenenfalls kann diese Konfiguration spezifisch für die Eigenschaften des Erdmagnetfeldes (lokale Inklination und Feldstärke) und den Versuchsaufbau (Spulenlayout etc.) an der Messlokation durchgeführt werden.
• Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Figur weiter erläutert. Hierbei zeigt:
• 1 zwei Messschemata zur SNMR-Messung mit Präpolarisation.
• 1 zeigt den Vergleich zwischen der Standard-SNMR-PP Methode mit EM-Anregepuls (a) und der in der Erfindung beschriebenen SNMR-PP Methode ohne EM-Anregepuls aber mit der nicht-adiabatischen Präpolarisations-Abschaltung als Anregung (b). Die drei Spuren in (a) und (b) zeigen jeweils oben den zeitlichen Verlauf des Präpolarisations-Stromes und eine Abschaltrampe, in der Mitte den zeitlichen Verlauf eines EM-Anregepulses (nur a) und unten den zeitlichen Verlauf des NMR-Signals (unmittelbar) nach der jeweiligen Anregung.
• Das Signal, das durch eine Präzessionsbewegung von M_senk induziert wird, klingt exponentiell mit der Relaxationszeit T₂* ab und erlaubt (analog zur Standard-SNMR-PP) eine direkte Quantifizierung des Wassergehaltes und eine Charakterisierung eines Porenraumes über die Anfangsamplitude bzw. Relaxationszeit.
• Durch diese SNMR-PP Methode ohne EM-Anregepuls bei Larmorfrequenz ergeben sich verschiedenste Vorteile. Zum einen ist es damit möglich einen robusten und kostengünstigen Feuchte-Sensor zu konstruieren der ohne komplexe und technisch aufwändige Elektronik zur Erzeugung eines EM-Pulses auskommt. Ohne EM-Puls kann direkt nach Abschaltung des Präpolarisationsfeldes, bzw. nach einer sehr kurzen Totzeit, ein NMR-Signal aufgezeichnet werden (1b). Dadurch ist es möglich, auch sehr kurze T₂*-Relaxationszeiten bzw. Wasser in kleinen Poren zu detektieren. Durch die Signalverstärkung durch die Präpolarisationsspule ist außerdem ein höherer Messfortschritt im Vergleich zu einer SNMR-Messung ohne Präpolarisation möglich, der es erlaubt SNMR-PP auch für Kartierungsmessungen zu benutzen.
• An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Wassergehalts eines Untergrundes mittels NMR, umfassend die Schritte: - Anordnen einer Präpolarisationseinrichtung, insbesondere umfassend eine Präpolarisations-Spule, zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie einer Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere umfassend eine Empfangs-Spule, zum Empfangen eines Messsignals, insbesondere auf einer Oberfläche eines zu untersuchenden Untergrundes, - Erzeugen eines Magnetfeldes im Untergrund mittels der Präpolarisations-Spule durch Anlegen eines elektrischen Gleichstromes für eine bestimmte Pulsdauer, und - Erfassen und Auswerten des Messsignals durch die Magnetfeld-Messeinrichtung nach dem Abschalten der Präpolarisations-Spule.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auswerten unter Berücksichtigung einer Modellierung unter Zugrundelegung einer Hypothese über den Wassergehalt des Untergrundes, beispielsweise unter Zugrundelegung der Hypothese, dass der Untergrund zu 100 % mit Wasser ausgefüllt ist, eines Messsignales erfolgt, wobei die Modellierung vorzugsweise folgende Schritte umfasst: - Modellierung eines Magnetfeldes B_PP der Präpolarisations-Spule für eine Vielzahl von Volumenelementen des Untergrundes, - Modellierung der Magnetisierung während des Abschaltvorganges der Präpolarisations-Spule, insbesondere mittels der Bloch-Gleichungen, - Modellierung eines virtuellen Magnetfeldes der Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere Empfangs-Spule, und - Bestimmung, insbesondere Berechnung eines zu erwartenden Messsignales.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kalibration durchgeführt wird, indem eine Messung oberhalb eines Untergrundes mit bekannten Eigenschaften hinsichtlich seines Wassergehaltes durchgeführt wird, beispielsweise oberhalb eines Wassertanks.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, insbesondere unter Anwendung der Modellierung gemäß Anspruch 2, eine Mess-Konfiguration entworfen und/oder umgesetzt wird, die hinsichtlich ihrer Konfigurationsparameter, wie beispielsweise einer Größe, Form und/oder relativen Orientierung von Präpolarisations-Spule und/oder Messeinrichtung zum Erdmagnetfeld B₀, insbesondere Empfangsspule; und/oder einer Stromstärke zur Erzeugung des Präpolarisationsfeldes; und/oder einer Abschaltcharakteristik der Präpolarisations-Spule an die zu messende Größe und/oder bereits bekannte Parameter betreffend den Untergrund angepasst, insbesondere diesbezüglich optimiert ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei experimentelle Parameter variiert werden, vorzugsweise um verschiedene räumliche Sensitivitäten zu erzielen und/oder den Wassergehalt des Untergrundes räumlich aufgelöst zu bestimmen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung einen Magnetfeldsensor (z.B. SQUID), insbesondere zur ggf. gleichzeitigen Aufzeichnung aller Komponenten der Magnetisierung (M_par und M_senk), umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einen separaten EM-Anregepuls bei Larmorfrequenz verzichtet wird.
8. System zur Bestimmung eines Wassergehalts mittels NMR, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - eine Präpolarisationseinrichtung, insbesondere Präpolarisations-Spule, zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie eine Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere Empfangs-Spule, zum Empfangen eines Messsignals, insbesondere auf einer Oberfläche eines zu untersuchenden Untergrundes, - eine Auswerteeinheit, die konfiguriert ist, ein durch die Magnetfeld-Messeinrichtung erfasstes Messsignal nach dem Abschalten der Präpolarisations-Spule auszuwerten.
9. Computerprogrammprodukt, vorzugsweise für das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder als Bestandteil des Systems nach dem unmittelbar vorangehenden Anspruch, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das folgende Verfahren auszuführen: - Modellierung eines Magnetfeldes B_PP der Präpolarisations-Spule für eine Vielzahl von Volumenelementen des Untergrundes unter Zugrundelegung einer Hypothese über den Wassergehalt des Untergrundes, beispielsweise unter Zugrundelegung der Hypothese, dass der Untergrund zu 100 % mit Wasser ausgefüllt ist, - Modellierung der Magnetisierung während des Abschaltvorgangs der Präpolarisations-Spule, insbesondere mittels der Bloch-Gleichungen - Modellierung eines virtuellen Magnetfeldes der Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere Empfangs-Spule, und - Berechnung eines zu erwartenden Messsignales.
10. Computerlesbares Speichermedium, vorzugsweise für das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder als Bestandteil des Systems nach Anspruch 8, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen das folgende Verfahren auszuführen: - Modellierung eines Magnetfeldes B_PP der Präpolarisations-Spule für eine Vielzahl von Volumenelementen des Untergrundes unter Zugrundelegung einer Hypothese über den Wassergehalt des Untergrundes, beispielsweise unter Zugrundelegung der Hypothese, dass der Untergrund zu 100 % mit Wasser ausgefüllt ist, - Modellierung der Magnetisierung während des Abschaltvorgangs der Präpolarisations-Spule, insbesondere mittels der Bloch-Gleichungen - Modellierung eines virtuellen Magnetfeldes der Magnetfeld-Messeinrichtung, insbesondere Empfangs-Spule, und - Berechnung eines zu erwartenden Messsignales.

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