DE112014004919T5

DE112014004919T5 - Integrierte Schaltung für NMR-Systeme

Info

Publication number: DE112014004919T5
Application number: DE112014004919.0T
Authority: DE
Inventors: Yi-Qiao Song; Donhee Ham; Dongwan Ha; Jeffrey Paulsen
Original assignee: Schlumberger Technology BV; Harvard College
Current assignee: Schlumberger Technology BV; Harvard College
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-07-21
Also published as: JP2016535284A; US20160274204A1; JP6495930B2; WO2015066005A1; US10295636B2

Abstract

Eine integrierte Schaltung ist für die gemeinsame Verwendung mit einer externen Antenne vorgesehen. Die integrierte Schaltung umfasst eine Speicherschaltung, eine Pulssequenzsteuerung, eine NMR-Senderschaltung und eine NMR-Empfängerschaltung. Die Speicherschaltung ist gestaltet, um benutzerdefinierte Parameterdaten zu speichern, die zu einer Anregungsperiode und einer Erfassungsperiode gehören, die Teil einer NMR-Pulssequenz sind. Die Pulssequenzsteuerung und die NMR-Senderschaltung sind so gestaltet, dass sie zusammenarbeiten, um HF-Signale gemäß den benutzerdefinierten Parameterdaten zu erzeugen, die in der Speicherschaltung gespeichert sind, wobei derartige HF-Signale an der externen Antenne bereitgestellt werden, um Anregungssignale von der externen Antenne während der Anregungsperiode der NMR-Pulssequenz auszusenden. Die NMR-Empfängerschaltung ist so gestaltet, dass sie elektrische Signale empfängt, die während der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz durch die externe Antenne erzeugt werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität aus der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/896,464 mit dem Titel „IC-based NMR systems“, eingereicht am 28. Oktober 2013, die hiermit zur Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf NMR(Nuclear Magnetic Resonance bzw. kernmagnetische Resonanz)-Systeme und Verfahren.
HINTERGRUND
Kernmagnetische Resonanz(NMR)-Spektrometer werden seit vielen Jahren verwendet und können für die Bildgebung und/oder Analyse einer Probe verwendet werden, die getestet wird. Im Allgemeinen umfasst ein typischer Einkanal-NMR-Spektrometer drei Hauptkomponenten: eine Pulssequenzsteuerung, einen NMR-Sender und einen NMR-Empfänger. Der NMR-Sender und der NMR-Empfänger sind beide über eine Schnittstelle mit einer externen Antenne (d. h. Spule) verbunden, die normalerweise Teil einer NMR-Sonde ist, die die Probe empfängt. Ein externer Magnet kann ebenfalls bereitgestellt werden, um während NMR-Experimenten ein statisches Magnetfeld (normalerweise als Bo-Feld bezeichnet) für die Probe zu erzeugen. Die Pulssequenzsteuerung und der NMR-Sender arbeiten zusammen, um eine Impulsfolge eines oszillierenden Hochfrequenz(HF)-Signals für die externe Antenne bereitzustellen, um makroskopische Kernspins in der Probe anzuregen. Der NMR-Empfänger empfängt NMR-Signale, die durch die externe Antenne ermittelt werden und verstärkt die empfangenen NMR-Signale mit geringem Rauschen und hoher Verstärkung. Die NMR-Signale, die durch den NMR-Empfänger erzeugt werden, werden durch eine Signalverarbeitungsschaltung (normalerweise umfassend die Umwandlung durch einen Analog-Digital-Wandler und die Datenverarbeitung durch einen Datenprozessor) verarbeitet, um nützliche physikalische und chemische Informationen zu erhalten.
Bei NMR-Logging (Protokollierung) handelt es sich um eine bewährte Art der NMR-Messung, bei der ein NMR-Spektrometer in ein Bohrloch in die Erde eingeführt wird, und NMR-Messungen ausgeführt werden, um Eigenschaften in und/oder um das Bohrloch herum zu bestimmen. Allerdings weisen vorhandene NMR-Protokollierungsspektrometer eine Reihe von Nachteilen auf, einschließlich hohe Kosten und Unterstützung für ein begrenztes Impulssequenzformat für die NMR-Experimente. Darüber hinaus kann das Bohrlochsensorpaket, das gestaltet ist, um in das Bohrloch zu passen, groß und sehr schwer sein.
ÜBERSICHT
Diese Übersicht soll eine Einführung in eine Auswahl an Konzepten geben, die im Folgenden in der detaillierten Beschreibung weiter ausgeführt werden. Diese Übersicht ist weder dafür vorgesehen, wichtige oder grundlegende Merkmale des beanspruchten Gegenstandes aufzuzeigen, noch ist sie dafür vorgesehen, als eine Hilfe bei der Einschränkung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstandes verwendet zu werden.
In einer Ausführungsform des Gegenstand in der Offenbarung wird eine integrierte Schaltung (IC) bereitgestellt, die eine Speicherschaltung, eine Pulssequenzsteuerung, eine NMR-Senderschaltung und eine NMR-Empfängerschaltung umfasst. Die integrierte Schaltung kann durch eine monolithische integrierte Schaltung, wie z. B. eine ASIC (Application Specific Integrated Circuit, anwendungsspezifische integrierte Schaltung) und/oder eine CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter) integrierte Schaltung verwirklicht werden. Die Speicherschaltung ist gestaltet, um benutzerdefinierte Parameterdaten zu speichern, die zu einer Anregungsperiode und einer Erfassungsperiode gehören, die Teil einer NMR-Pulssequenz sind. Die Pulssequenzsteuerung und die NMR-Senderschaltung arbeiten zusammen, um HF-Signale gemäß den benutzerdefinierten Parameterdaten zu erzeugen, die in der Speicherschaltung gespeichert sind, wobei derartige HF-Signale an der externen Antenne bereitgestellt werden, um Anregungssignale von der externen Antenne während der Anregungsperiode der NMR-Pulssequenz auszusenden. Die NMR-Empfängerschaltung empfängt elektrische Signale, die während der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz durch die externe Antenne erzeugt werden.
In einem anderen Aspekt wird ein Mehrkanal-NMR-System bereitgestellt, das mehrere der im vorliegenden Text beschriebenen integrierten Schaltungen umfasst, wobei die Pulssequenzsteuerung von jeder einzelnen integrierten Schaltung NMR-Experimente initiiert, bei denen mindestens eine NMR-Pulssequenz in Reaktion auf ein Aktivieren-Signal, das von der jeweiligen integrierten Schaltung kommuniziert wird, beteiligt ist.
In noch einem anderen Aspekt umfasst eine NMR-Vorrichtung ein Host-System und mindestens eine integrierte Schaltung, wie im vorliegenden Text beschrieben, umfassend eine Datenkommunikationsschnittstelle zum Host-System. Die Datenkommunikationsschnittstelle empfängt die benutzerdefinierten Parameterdaten vom Host-System und überträgt die empfangenen benutzerdefinierten Parameterdaten an die Speicherschaltung der integrierten Schaltung, um sie dort zu speichern. Die mindestens eine integrierte Schaltung kann ferner mindestens einen Ausgabe-Port zum Ausgeben von elektrischen Signalen in analoger Form umfassen, wie durch die NMR-Empfängerschaltung der integrierten Schaltung erzeugt. Die NMR-Vorrichtung kann ferner eine Signalverarbeitungsschaltung, die mit dem mindestens einen Ausgabe-Port betreibbar verbunden ist, zur Verarbeitung der elektrischen Signale umfassen, die vom Ausgabe-Port ausgegeben wurden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Anmeldung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen sind, deutlicher hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Anmeldung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme der mehreren Zeichnungen über nicht beschränkende Beispiele der Ausführungsformen in der vorliegenden Anmeldung noch weiter beschrieben, in denen ähnliche Bezugszeichen auf ähnliche Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen verweisen.
1 ist ein Foto einer NMR ASIC gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung.
2 ist ein funktionales Blockschaubild von einer NMR ASIC gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung sowie eines NMR-Spektrometers, der eine derartige NMR ASIC verwendet.
3 ist a schematisches Schaubild einer NMR-Pulssequenz.
4 ist ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform der Pulssequenzsteuerung der NMR ASIC aus 2.
5 ist ein Schaubild der Organisation eines 64-Bit-Vektors der Parameterdaten, die im Parameterspeicher aus 4 gespeichert werden können.
6 ist ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform der Mehrphasengeneratorschaltung der NMR ASIC aus 2.
7 ist ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform des NMR-Senders der NMR ASIC aus 2.
8 ist ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform einer Leistungsverstärkerstufe des NMR-Empfängers der NMR ASIC aus 2.
9 ist ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform eines digital gesteuerten Dämpfungsglieds und einer Leistungsverstärkerstufe des NMR-Empfängers der NMR ASIC aus 2.
10 ist ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform einer Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe und Tiefpassfilterstufe des NMR-Empfängers der NMR ASIC aus 2.
11A–C sind schematische Schaubilder von verschiedenen Mehrkanal-NMR-Konfigurationen, die die NMR ASIC aus 2 nutzen.
12 zeigt ein Logging-While-Drilling(Protokollierung beim Bohren, LWD)-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
13 zeigt ein LWD NMR-Protokollierungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind an eine integrierte Schaltung für ein kernmagnetisches Resonanz(NMR)-System gerichtet. Die integrierte Schaltung ist für die gemeinsame Verwendung mit einer externen Antenne vorgesehen. Die integrierte Schaltung kann eine Speicherschaltung, eine Pulssequenzsteuerung, eine NMR-Senderschaltung und eine NMR-Empfängerschaltung umfassen. Die Speicherschaltung ist gestaltet, um benutzerdefinierte Parameterdaten zu speichern, die zu einer Anregungsperiode und einer Erfassungsperiode gehören, die Teil einer NMR-Pulssequenz sind. Die Pulssequenzsteuerung und die NMR-Senderschaltung sind so gestaltet, dass sie zusammenarbeiten, um HF-Signale gemäß den benutzerdefinierten Parameterdaten zu erzeugen, die in der Speicherschaltung gespeichert sind, wobei derartige HF-Signale an der externen Antenne bereitgestellt werden, um Anregungssignale von der externen Antenne während der Anregungsperiode der NMR-Pulssequenz auszusenden. Die NMR-Empfängerschaltung ist so gestaltet, dass sie elektrische Signale empfängt, die während der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz durch die externe Antenne erzeugt werden. Details verschiedener Ausführungsformen werden im Folgenden diskutiert.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform einer NMR ASIC 10 gemäß der vorliegenden Anmeldung, die eine digital programmierbare Pulssequenzsteuerung 11, einen digital gesteuerten NMR-Sender 12 und einen digital gesteuerten NMR-Empfänger 13 integriert, die als Teile eines einzelnen integrierten Schaltungschips in einem Bereich von ungefähr 4 mm² integriert sind. Andere Ausführungsformen können integrierte Schaltungschips mit unterschiedlichen Abmessungen verwenden. Die NMR ASIC 10 kann mithilfe von im Handel erhältlichen Prozesstechnologien (wie z. B. dem TSMC 0.18um-Prozess der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Limited (TSMC)) hergestellt werden. Der NMR-Empfänger 13 kann temperaturkompensiert sein, sodass die Verstärkung des NMR-Empfängers 13 während des Betriebs der NMR ASIC 10 nicht für erwartete Temperaturabweichungen empfindlich ist. Dieses Merkmal kann die Leistung der NMR ASIC 10 bei hohen Temperaturen verbessern.
Die digital programmierbare Pulssequenzsteuerung 11 und der digital gesteuerte NMR-Sender 12 der NMR ASIC 10 können so gestaltet sein, dass der NMR-Sender 12 eine Vielzahl an NMR-Pulssequenzen erzeugt (d. h. Impulsfolgen von oszillierenden Hochfrequenz(HF)-Signalen, die für die externe Antenne bereitgestellt werden, um makroskopische Kernspins in einer Probe anzuregen.) Dieses Merkmal ermöglicht den Test und die Verwendung mehrerer NMR-Pulssequenzen mit der NMR ASIC 10 für verschiedene NMR-Experimente ohne Hardware-Modifikationen an der NMR ASIC 10. Dieses Merkmal ist für die Forschung und Entwicklung von neuen NMR-Technologien sowie für die Implementierung der Technologie im praktischen Einsatz nützlich.
2 veranschaulicht die Architektur einer Ausführungsform der NMR ASIC 10 sowie eines NMR-Spektrometers 100, das eine derartige NMR ASIC 10 nutzt. Die digital programmierbare Pulssequenzsteuerung 11 der NMR ASIC 10 umfasst eine Kommunikationsschnittstelle 201, die mit einem Host-System 203 zum Empfangen von Daten (benutzerdefinierten Parameterdaten) verbunden ist, die für eine oder mehrere benutzerdefinierte Parameter charakteristisch sind, die zu einer Anregungsperiode und einer Erfassungsperiode gehören, die Teil einer NMR-Pulssequenz sind, wie schematisch in 3 dargestellt. Derartige benutzerdefinierte Parameterdaten können Folgendes darstellen: (i) Zeitdauer für die Anregungsperiode, (ii) eine Impulsamplitude für Anregungssignale, die Teil der NMR-Pulssequenz sind, (iii) eine Impulsphase für derartige Anregungssignale, (iv) eine Zeitdauer für die Erfassungsperiode, (v) eine Zeitperiode zwischen der Anregungsperiode und der Erfassungsperiode (in 3 als „Quench“ bezeichnet), (vi) einen Schleifenbeginn und ein Schleifenende für eine Schleife der NMR-Pulssequenzen, (vii) Informationen, die die Verstärkung des NMR-Empfängers 13 während der Erfassungsperiode vorgeben, und (viii) Informationen, die den NMR-Empfänger 13 während der Erfassungsperiode aktivieren oder deaktivieren. Das Host-System 203 kann eine im Handel erhältliche Mikrosteuerung oder ein digitaler Signalprozessor oder ein anderes Datenverarbeitungssystem sein. Das Host-System 203 kann eine grafische Benutzeroberfläche oder einen Benutzereingabemechanismus einsetzen, die es einem Benutzer ermöglichen die benutzerdefinierten Parameterdaten zu definieren (oder auszuwählen) und diese Daten zur digital programmierbaren Pulssequenzsteuerung 11 der NMR ASIC 10 zu übertragen. Die digital programmierbare Pulssequenzsteuerung 11 umfasst auch eine Speicherschaltung 205 (wie z. B. eine Registerdatei), die die von der Kommunikationsschnittstelle 201 empfangenen benutzerdefinierten Parameterdaten speichert. Die Kommunikationsschnittstelle 201 kann standardmäßige Kommunikationsprotokolle für die Kommunikation mit dem Host-System 203 nutzen, einschließlich beispielsweise das Serial Peripheral Interface(SPI)-Protokoll, das RS-422 Schnittstellenprotokoll, verdrahtete und drahtlose USB-Protokolle, ein drahtloses Bluetooth^®-Protokoll oder eine andere geeignete Datenkommunikationsschnittstelle. Die Kommunikationsschnittstelle 201 der Pulssequenzsteuerung 11 ermöglicht den Betrieb der NMR ASIC 10 IC entweder als eigenständige NMR-Vorrichtung oder als Satellitensensor, wodurch sie für Mehrkanal-NMR-Anwendungen geeignet wird.
Während den NMR-Experimenten werden die benutzerdefinierten Parameterdaten in der Speicherschaltung 205 gespeichert und durch die Pulssequenzsteuerungsschaltung 207 abgerufen und verwendet, um digitale Steuerungssignale zu erzeugen, die dem digital gesteuerten NMR-Sender 12 und dem digital gesteuerten NMR-Empfänger 13 der NMR ASIC 10 bereitgestellt werden, um den Betrieb des NMR-Senders 12 und des NMR-Empfängers 13 während dieser NMR-Experimente gemäß den in der Speicherschaltung 205 gespeicherten benutzerdefinierten Impulsparameterdaten zu steuern. Beispielsweise können der NMR-Sender 12 und/oder der NMR-Empfänger 13 eine digital gesteuerte Dämpfungsstufe, wie im Folgenden beschrieben, umfassen, deren Dämpfungsgrad während derartiger NMR-Experimente gemäß den benutzerdefinierten Parameterdaten, die in der Speicherschaltung 205 gespeichert sind, gesteuert werden kann. Andere Teile des NMR-Senders 12 und/oder andere Teile des NMR-Empfängers 13 können ebenfalls gemäß den benutzerdefinierten Parameterdaten, die in der Speicherschaltung 205 gespeichert sind, gesteuert werden.
Der NMR-Sender 12 ist mit einer externen Antenne 209 (d. h. HF-Spule) über ein Kondensator- und Diodennetzwerk 211 verbunden. Die Kondensatoren im Netzwerk 211 können derart gestaltet sein, dass die Impedanz der Schaltung mit der Induktanz der Antenne 209 übereinstimmt. Die Dioden im Netzwerk 211 können als ein Duplexer gestaltet sein, um die Leitung den Dioden während der Anregungsperiode einer NMR-Pulssequenz und die Isolierung der NMR-Empfänger 13 vom NMR-Sender 12 in der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz zu ermöglichen. Die Antenne 209 kann Teil einer NMR-Sonde 213 sein, die die Probe empfängt. Ein externer Magnet 215 kann ebenfalls bereitgestellt werden, um während der NMR-Experimente ein statisches Magnetfeld (normalerweise als Bo-Feld bezeichnet) für die Probe zu erzeugen.
Ein externer Taktsignalgenerator 217 erzeugt ein oszillierendes HF-Referenzsignal mit der Larmorfrequenz. Dieses oszillierende HF-Referenzsignal wird für eine Phasengeneratorschaltung 219 der Pulssequenzsteuerung 11 bereitgestellt. Die Pulssequenzsteuerungsschaltung 207 wird betrieben, um digitale Steuerungssignale zu erzeugen, die für die Mehrphasengeneratorschaltung 219 derart bereitgestellt werden, dass eine Mehrphasengeneratorschaltung 219 eine Pulssequenz eines oszillierenden HF-Signals (Φ) mit der Larmorfrequenz bei einer digital gesteuerten Phasenverschiebung in Bezug auf das oszillierende HF-Referenzsignal gemeinsam mit einem oszillierenden HF-Signal mit der Larmorfrequenz bei Quadratur-Phase (Φ + π) erzeugt. Diese digital gesteuerte Phasenverschiebung kann durch die benutzerdefinierten Parameterdaten vorgegeben werden, die in der Speicherschaltung 205 gespeichert und der Mehrphasengeneratorschaltung 219 durch die Pulssequenzsteuerungsschaltung 207 bereitgestellt werden.
Der NMR-Sender 12 kann eine variable Verstärkung der Pulssignale (Φ, Φ + π) bereitstellen, die durch die Mehrphasengeneratorschaltung 219 zur Ausgabe an der externen Antenne 209 erzeugt werden. Die variable Verstärkung kann durch die benutzerdefinierten Parameterdaten vorgegeben werden, die in der Speicherschaltung 205 gespeichert sind und dem NMR-Sender 12 durch die Pulssequenzsteuerungsschaltung 207 bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform kann der NMR-Sender 12 eine Leistungsverstärkerstufe 221 und eine digital gesteuerte Dämpfungsstufe 223 umfassen, die die Pulssignale (Φ, Φ + π) verarbeiten, die durch die Mehrphasengeneratorschaltung 219 zur Ausgabe an der externen Antenne 209 erzeugt werden. Die Leistungsverstärkerstufe 221 bietet eine lineare Verstärkung der Leistung für die Pulssignale (Φ, Φ + π). Die digital gesteuerte Dämpfungsstufe 223 kann eine gesteuerte Dämpfung des Spannungspegels der Pulssignale (Φ, Φ + π) bereitstellen. Der Grad der Dämpfung kann gemäß benutzerdefinierten Parameterdaten gesteuert werden, die in der Speicherschaltung 205 gespeichert sind, oder durch weitere digitale Eingaben in die ASIC gesteuert werden. Die Dauer des Pulses wird gemäß den Parameterdaten für die Pulsdauer, die in der Speicherschaltung 205 gespeichert sind gesteuert. Die Parameterdaten für die Pulsdauer werden in einen Countdownzähler geladen, der den Parameter bei jedem Taktzyklus um 1 herunterzählt. Auf diese Weise sind die Komponenten des NMR-Senders 12 in der Lage, NMR-Pulssequenzen mit Pulsen mit verschiedenen Amplituden, Phasen und Dauern gemäß den benutzerdefinierten Pulsparameterdaten zu erzeugen, die in der Speicherschaltung 205 gespeichert sind, sodass die Kernspins in der Probe bewusst manipuliert werden können.
Der NMR-Empfänger 13 der NMR ASIC 10 ist mit der externen Antenne 209 durch die externe Empfangs-Umschaltschaltung 225 verbunden. Der NMR-Empfänger 13 kann die variable Verstärkung der NMR-Signale bereitstellen, die durch die externe Antenne 209 erkannt wird, bei der es sich beispielsweise um Freien Induktionszerfall (FID; Free Induction Decay) handelt, der durch eine Präzession der Kernspin-Magnetisierung im Nicht-Gleichgewichtszustand über dem magnetischen Feld erzeugt wird. Die variable Verstärkung kann durch die benutzerdefinierten Parameterdaten vorgegeben werden, die in der Speicherschaltung 205 gespeichert und dem NMR-Empfänger 13 durch die Pulssequenzsteuerungsschaltung 207 oder weitere digitale Eingaben bereitgestellt werden. In einem Beispiel kann der NMR-Empfänger 13 zwei rauscharme Verstärkerstufen 227A, 227B der festen Signalverstärkung für die rauscharme Verstärkung der NMR-Signale umfassen, die durch die externe Antenne 209 erkannt werden. Eine digital gesteuerte Dämpfungsstufe 229 kann zwischen den beiden rauscharmen Verstärkerstufen 227A, 227B verbunden und verwendet werden, um die Signalverstärkung des NMR-Empfängers 13 basierend auf benutzerdefinierten Parameterdaten zu steuern, die die Verstärkung des NMR-Empfängers vorgeben, wie in der Speicherschaltung 205 gespeichert. Derartige Vorgänge können zum Korrigieren oder Abstimmen der Signalverstärkung des NMR-Empfängers 13 für verschiedene Antennen 209 verwendet werden. Die Empfangs-Umschaltschaltung 225 kann gesteuert werden, um die Verbindung der Antenne 209 und des NMR-Senders 12 zum NMR-Empfänger 13 der NMR ASIC 10 physikalisch oder elektronisch zu den gewünschten Zeitintervallen außerhalb der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz zu trennen, wie durch die Zeitdauerdaten für die Perioden der NMR-Pulssequenz vorgegeben, wie in der Speicherschaltung 205 gespeichert (d. h. die Daten, die die Zeitdauer für die Anregungsperiode darstellen, die Daten, die die Zeitperiode zwischen der Anregungsperiode und der Erfassungsperiode darstellen, und die Daten, die die Zeitdauer für die Erfassungsperiode darstellen). Die Empfangs-Umschaltschaltung 225 kann auch gesteuert werden, um die Antenne 209 mit dem NMR-Empfänger 13 der NMR ASIC 10 in den gewünschten Zeitintervallen der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz physikalisch oder elektronisch zu verbinden, wie durch die Zeitdauerdaten für die Perioden der NMR-Pulssequenz vorgegeben, wie in der Speicherschaltung 205 gespeichert.
Der NMR-Empfänger 13 kann darüber hinaus eine Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe 231 und eine Tiefpassfilterstufe 233 umfassen, wie in 2 dargestellt. Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe 231 wird mit dem oszillierenden HF-Referenzsignal bereitgestellt, das durch den Taktsignalgenerator 217 erzeugt wird. Die Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe 231 verarbeitet die verstärkten NMR-Signale, die durch die Verstärkerstufe 227B ausgegeben werden, um eine In-Phase-Signalkomponente zu erzeugen (wobei das oszillierende HF-Referenzsignal mit dem verstärkten NMR-Signal gemischt wird, das durch die Verstärkerstufe 227B ausgegeben wird) und eine einzelne Quadraturphasenkomponente (wobei die Quadraturphase des oszillierenden HF-Referenzsignals mit dem verstärkten NMR-Signal gemischt wird, das durch die Verstärkerstufe 227B ausgegeben wird). Sowohl die In-Phase- als auch die Quadraturphasensignalkomponenten, die durch die Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe 231 erzeugt werden, werden durch die Tiefpassfilterstufe 233 einer Tiefpassfilterung ausgesetzt. Die gefilterten In-Phase- und Quadraturphasensignalkomponenten, die durch die Tiefpassfilterstufe 233 ausgegeben werden, können für die Signalverarbeitungsschaltung 235 bereitgestellt werden, die einen Zweikanal-Digitalisierer (d. h. einen Zweikanal-Analog-Digital-Wandler) und zugehörigen Datenprozessor, wie gezeigt, umfassen kann. Da die meisten NMR-Signale im Vergleich zur Larmor-Frequenz eine geringe Frequenzbandbreite aufweisen, entfernt ein Niederfrequenzfilter das Rauschen außerhalb der NMR-Signalbandbreite und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis des NMR-Signals. Der Analog-Digital-Wandler wandelt analoge NMR-Signale in digitale Form um, wodurch die erhaltenen digitalen Signale weiter verarbeitet werden können, z. B. Digitalfilter, Optimalfilter, Fourier-Transformation usw. Die Eigenschaften der Signale, wie Amplitude, Phase, Frequenzkomponenten usw. können verwendet werden, um die Eigenschaften der Probe (z. B. chemische Zusammensetzung, physikalische Eigenschaften, Viskosität, Wasserstoffdichte usw.) zu bestimmen. Die Signalverarbeitungsschaltung 235 (und/oder Teile davon) kann im NMR-Empfänger 13 ausgeführt werden, oder die gefilterten Daten können zur Analyse an einen Datenprozessor weitergeleitet werden. Der Datenprozessor kann Teil des Host-Systems 203 oder eines separaten Systems sein. Auf diese Weise kann der NMR-Empfänger 13 gestaltet sein, um NMR-Signale während der Erfassungsperiode von einer oder mehreren NMR-Pulssequenzen zu verarbeiten, und es können willkürliche Erfassungsmuster ausgeführt werden.
Wie oben beschrieben, können die digital programmierbare Pulssequenzsteuerung 11 und der NMR-Sender 12 der NMR ASIC 10 gestaltet sein, um eine NMR-Pulssequenz zu erzeugen, die das Spinsystem der Probe stört, damit brauchbare physikalische und chemische Informationen aus den NMR-Signalen, die durch den NMR-Empfänger 13 empfangen werden, extrahiert werden können. Beispielsweise können die empfangenen NMR-Signale durch den Signalprozessor 235 digitalisiert und verarbeitet werden, um die Spin-Echo-Amplitude für eine oder mehrere NMR-Pulssequenzen zu messen. Anhand dieser NMR-Messungen können der Ausdehnungskoeffizient D sowie weitere Eigenschaften der Probe abgeleitet werden. Die dadurch erhaltenen NMR-Messungen sind „diffusionskodiert“ und können invertiert werden, um eine zugehörige mehrdimensionale Verteilungsfunktion für die Flüssigkeitseigenschaften der Probe zu erstellen. Die mehrdimensionale Verteilung kann eine zweidimensionale (2-D) Verteilungsfunktion f(D, T₂) sein, die den Ausdehnungskoeffizienten D mit den Spin-Spin(T₂)-Inkubationszeiten der Probe in Beziehung setzt, eine 2-D Verteilungsfunktion f(D, Ti), die den Ausdehnungskoeffizienten D mit der Spin-Gitter-Generationszeit Ti der Probe in Beziehung setzt, oder eine dreidimensionale (3-D) Verteilungsfunktion f(D, Ti, T₂), die den Ausdehnungskoeffizienten D mit der Spin-Gitter-Generationszeit Ti und der Spin-Gitter-Generationszeit T₂ der Probe in Beziehung setzt. Beispiele für solche Kompressionstechniken werden detailliert in den US Patenten 6,570,382 sowie 6,960,913 und 7,053,611 beschrieben, die hierin in ihrer Gesamtheit zum Zwecke der Bezugnahme aufgenommen sind. Andere Analysemethoden, wie z. B. Fourier-Transformation, können ebenfalls zur Verarbeitung der NMR-Daten zum Erhalten eines Frequenzspektrums verwendet werden, in dem individuelle Spitzen bei verschiedenen Frequenzen verwendet werden können, um molekulare Spezies und ihre Verteilung in der Probe darzustellen. Experimente mit mehrdimensionaler Spektroskopie können ausgeführt werden, um molekulare Strukturen, Dynamik und molekulare Wechselwirkungen zu erläutern. Beispiele für solche Experimente sind COSY (COrrelated SpectroscopY), NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY), TOCSY (TOtal Correlation SpectroscopY), HMQC (Heteronuclear Multi-Quantum Coherence spectroscopy), usw.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der Pulssequenzsteuerungsschaltung 207 aus 2 veranschaulicht, die durch einen programmierten Controller verwirklicht wird, der eine CPU 400, Programmspeicher 402, eine Kommunikationsschnittstelle 404 (wie z. B. eine SPI-Schnittstelle) zum Host-System 203 und Eingabe/Ausgabe(E/A)-Ports 406 mit zugehörigen Datenpfaden zur Mehrphasengeneratorschaltung 219, dem NMR-Sender 12 und dem NMR-Empfänger 13 umfasst.
Der Programmspeicher 402 umfasst Speicherbereich 408 (der als „Parameterspeicher“ bezeichnet wird), der gestaltet ist, um eine vordefinierte Anzahl an Bit-Vektoren mit einer festen Größe zu speichern, die eine Anzahl von benutzerdefinierten Parametern darstellen, die zu einer Anregungsperiode und einer Erfassungsperiode gehören, die Teil einer NMR-Pulssequenz sind, wie in 3 schematisch dargestellt. Derartige benutzerdefinierte Parameterdaten können Folgendes darstellen: die Zeitdauer für die Anregungsperiode, eine Impulsamplitude für Anregungssignale, die Teil der NMR-Pulssequenz sind, eine Impulsphase für derartige Anregungssignale, eine Zeitdauer für die Erfassungsperiode, eine Zeitperiode zwischen der Anregungsperiode und der Erfassungsperiode (in 3 als „Quench“ bezeichnet), einen Schleifenbeginn und ein Schleifenende für eine Schleife der NMR-Pulssequenzen, Informationen, die die Verstärkung des NMR-Empfängers 13 während der Erfassungsperiode vorgeben, und Informationen, die den NMR-Empfänger 12 während der Erfassungsperiode aktivieren oder deaktivieren. In einer Ausführungsform kann der Parameterspeicher 408 bis zu 64 Bit-Vektoren mit einer festen Größe speichern, die eine Länge von 64 Bit haben und wie in 5 schematisch dargestellt angeordnet sind. Bits <0> und <1> stellen das Schleifenende und den Schleifenbeginn für eine bestimmte Schleife der NMR-Sequenzen dar. Bit <2> stellt Informationen dar, die den NMR-Empfänger 12 während der Erfassungsperiode aktivieren oder deaktivieren. Bits <3>–<5> stellen die Dauer der Zeitperiode zwischen der Anregungsperiode und der Erfassungsperiode (in 3 als „Quench“ bezeichnet) dar. Bits <6>–<29> stellen die Dauer der Erfassungsperiode dar. Bits <30>–<34> stellen die Pulsphase für die Anregungssignale der NMR-Pulssequenz dar. Bits <35>–<39> stellen die Pulsamplitude für die Anregungssignale der NMR-Pulssequenz dar. Bits <40>–<63> stellen die Pulsdauer für die Anregungssignale (oder die Zeitdauer der Anregungsperiode) der NMR-Pulssequenz dar. Auf diese Weise kann der 64-Bit-Vektor einen Puls oder eine Verzögerung, oder einen kombinierten Puls und eine Verzögerung beschreiben. Eine komplette Pulssequenz wird als Liste von Vektoren beschrieben. Beispielsweise kann eine FID(Free Induction Decay)-Pulssequenz durch die Liste von 4 Vektoren beschrieben werden: Verzögerung von 1 s, HF-Puls von 10 us, eine kurze Verzögerung (10 us) und eine Verzögerung von 0,1 s mit Erfassung.
Der Programmspeicher 402 speichert auch programmierte Anweisungen für zwei Routinen, die durch die CPU 400 ausgeführt werden, einschließlich einer Parameterspeicherroutine 410 und einer Pulsprogrammierungsroutine 412. Die Kommunikationsschnittstelle 404 ist mit dem Host-System 203 verbunden, um die Bit-Vektoren mit einer festen Größe zu empfangen, die die benutzerdefinierten Pulsparameter wie oben beschrieben darstellen. Die Ausführung der Anweisungen der Parameterspeicherroutine 410 durch die CPU 400 arbeitet mit der Kommunikationsschnittstelle 404 zusammen, um die Bit-Vektoren mit einer festen Größe, die von der Kommunikationsschnittstelle 404 empfangen werden, in den Parameterspeicher 408 zu schreiben. Die Ausführung der Anweisungen der Pulsprogrammierungsroutine 412 durch die CPU 400 arbeitet mit den E/A-Ports 406 zusammen, um ein Aktivieren-Signal zu empfangen und um bei Bedarf digitale Steuerungssignale für den Phasengenerator 219, den NMR-Sender 12 und den NMR-Empfänger 13 bereitzustellen, um ein NMR-Experiment auszuführen, in dem eine oder mehrere NMR-Pulssequenzen beteiligt sind, wie durch den bzw. die im Parameterspeicher 408 gespeicherten Vektor(en) mit einer festen Größe vorgeschrieben. In derartigen NMR-Experimenten können NMR-Pulssequenzen mit unterschiedlichen Amplituden, Phasen und Dauern involviert sein (die durch die Größe des Parameterspeichers 408 und des maximalen Leistungspegels des NMR-Senders 12 beschränkt sind).
In einer dargestellten Ausführungsform, in der der Parameterspeicher 408 bis zu 64 Bit-Vektoren mit einer festen Größe speichern kann, die eine Länge von 64 Bit haben und wie in 5 dargestellt angeordnet sind, kann die Ausführung der Anweisungen der Pulsprogrammierungsroutine 412 durch die CPU 400 so gestaltet sein, dass der NMR-Sender eine Folge von bis zu 64 NMR-Pulsen mit individueller Amplitude, Phase und Dauer für jede NMR-Pulssequenz erzeugt. Jede NMR-Pulssequenz enthält ein Anregungssignal (einen HF-Puls), das während einer Anregungsperiode erzeugt wird. Auf die Anregungsperiode folgt eine Erfassungsperiode nach einer Quench-Periode, wie in 3. Die Verbindung des NMR-Senders 12 zur Antenne 209 wird während der Erfassungsperiode aufgehoben. Bits <40>–<63> werden verwendet, um die Pulsdauer der Anregungssignale (d. h. die Zeitdauer der Anregungsperiode) der NMR-Pulssequenz zu steuern. Bits <3>–<5> werden zur Steuerung der Quench-Periode verwendet. Bits <6>–<29> werden zur Steuerung der Dauer der Erfassungsperiode verwendet. Der NMR-Empfänger 13 kann während der Erfassungsperiode selektiv aktiviert werden (d. h. von der Empfangs-Umschaltschaltung 225 selektiv mit der Antenne 209 verbunden werden), wie durch den Bit-Wert von Bit <2> des zugehörigen 64-Bit-Vektors des NMR-Pulses vorgegeben. Die Ausführung der Anweisungen der Pulsprogrammierungsroutine 412 durch die CPU 400 greift jeweils auf einen 64-Bit-Vektor zu und steuert den NMR-Sender 12, um die angegebenen Anregungssignale für die angegebene Dauer der Anregungsperiode zur Antenne 209 zu steuern, und/oder steuert den NMR-Empfänger 13, um die NMR-Signale zu erfassen, wie sie von der Antenne 209 für die angegebene Dauer der Erfassungsperiode empfangen werden.
Die Anweisungen der Pulsprogrammierungsroutine 412 durch die CPU 400 können ein Pulsadressregister nutzen, das die aktuelle Pulsparameteradresse angibt und die Adresse speichert, um diese in einer Schleife, sofern konfiguriert, zurückzugeben. Eine Schleife kann durch Bits <0> und <1> des 64-Bit-Vektors angegeben werden. Ein Bit (Bit <1>, Bit für den Schleifenbeginn) gibt den Beginn der Schleife an, und das andere Bit (Bit <0>, Bit für das Schleifenende) gibt das Ende der Schleife an. Falls das Bit für das Schleifenende im aktuellen 64-Bit-Vektor eingestellt ist, wird die Adresse des 64-Bit-Vektors mit dem bereits eingestellten Bit für den Schleifenbeginn für die nächste NMR-Pulssequenz verwendet. Diese Schleifenstruktur ermöglicht die Ausführung von wiederholten Pulssegmenten (mehrere HF-Pulse und Verzögerungen, und die zugehörige Erfassungsperiode als eine Gruppe), wie z. B. als CPMG-Pulssequenz oder zugehörige Sequenzen.
Die Anweisungen der Pulsprogrammierungsroutine 412 durch die CPU 400 können auch gestaltet sein, um die Amplitude der Anregungssignale jeder NMR-Pulssequenz zu steuern, wie durch die Bits <35>–<39> des zugehörigen 64-Bit-Vektors vorgegeben.
Die Anweisungen der Pulsprogrammierungsroutine 412 durch die CPU 400 können auch gestaltet sein, um die Phase der Anregungssignale jeder NMR-Pulssequenz zu steuern, wie durch die Bits <30>–<34> des zugehörigen 64-Bit-Vektors vorgegeben. Damit kann die Phase des Anregungssignals auf einen von einer Anzahl von zulässigen Werten für jedes Anregungssignal (Puls) während jeder NMR-Pulssequenz gesetzt werden. Dieses Merkmal ist für eine Technik der Phasenvariation (Phase Cycling) und für erweitertes Puls-Design nützlich. Es ermöglicht zudem die Verwendung und Verschiebung mehrerer Phasen während eines Sets aus Pulssequenzen. Dieses Merkmal kann nützlich sein, u. a. für eine Technik der Phasenvariation (Phase Cycling) und für erweitertes Puls-Design, wie z. B. zusammengesetzten Pulsen.
Die Anweisungen der Pulsprogrammierungsroutine 412 durch die CPU 400 können auch gestaltet sein, um das Set der einzelnen Pulssequenzen zu initiieren, wie durch die 64-Bit Parametervektoren vorgegeben, die in dem Parameterspeicher 408 in Reaktion auf das Empfangen eines Aktivieren-Signals gespeichert sind, das für die E/A-Ports 406, wie in 4 dargestellt, bereitgestellt wird. Dieses Merkmal ist nützlich für die Synchronisierung von NMR-Experimenten in mehreren NMR ASICs 10.
Es gilt zu beachten, dass die veranschaulichende Ausführungsform es ermöglicht, dass die Anweisungen der Pulsprogrammierungsroutine 412 durch die CPU 400 ein Set von 64 einzelnen NMR-Pulsen ausführt. Die Anzahl der NMR-Pulssequenzen im Set kann durch Erweitern des Parameterspeichers 408 erhöht werden, ohne das Protokoll zu ändern. Darüber hinaus können auch komplexere HF-Pulsparameterformate (mehr als 64 Bit, zum Beispiel 128 Bit) verwendet werden, um die Eigenschaften der Pulse zu beschreiben, wodurch die On-Chip-Speicheranforderung erhöht wird.
6 veranschaulicht eine Ausführungsform der Mehrphasengeneratorschaltung 219 aus 2, die auf einer Verzögerungsschleife (Delay Locked Loop, DLL) basiert. Die DLL wird mit dem oszillierenden HF-Referenzsignal bereitgestellt, das durch den Taktsignalgenerator 217 erzeugt wird. Das oszillierende HF-Referenzsignal kann eine Frequenz von wenigen kHz bis 60 MHz haben. Dieses oszillierende HF-Referenzsignal wird parallel zu einer Verzögerungsleitung bereitgestellt, die 32 in Reihe geschaltete Verzögerungszellen 601-1, 601-2 ... 601-32 umfasst, und zu einer Zyklusverzögerungszelle 603, die eine Kopie des oszillierenden HF-Referenzsignals mit einer Zyklusverzögerung erzeugt, sowie eine invertierte Kopie des oszillierenden HF-Referenzsignals mit der einen Zyklusverzögerung. Die Kopie des oszillierenden HF-Referenzsignals mit der einen Zyklusverzögerung, wie durch die eine Zyklusverzögerungszelle 603 erzeugt, sowie die Ausgabe der letzten Verzögerungszelle 601-32 wird für eine Phasendetektor-Schaltung 605 bereitgestellt, deren Ausgabe eine in Reihe geschaltete Ladungspumpen-Schaltung 607, Filterschaltung 609 und Vorspannungsgenerator-Schaltung 611 antreibt. Die Ausgabe der Vorspannungsgenerator-Schaltung 611 wird für jede der 32 Verzögerungszellen 601-1, 601-2 ... 601-32 bereitgestellt und ist so gestaltet, dass der Betriebszyklus der oszillierenden HF-Signale, der durch die Verzögerungszellen 601-1, 601-2 ... 601-32 erstellt wird, mit dem Betriebszyklus des oszillierenden HF-Referenzsignals übereinstimmt. Die invertierte Kopie des oszillierenden HF-Referenzsignals mit der einen Zyklusverzögerung, wie durch die eine Zyklusverzögerungszelle 603 erzeugt, sowie die Ausgabe der dazwischenliegenden Verzögerungszelle 601-16 wird für eine Phasendetektor-Schaltung 613 bereitgestellt, deren Ausgabe eine in Reihe geschaltete Ladungspumpen-Schaltung 615, Filterschaltung 617 und Vorspannungsgenerator-Schaltung 619 antreibt. Die Ausgabe der Vorspannungsgenerator-Schaltung 611 wird für jede der 32 Verzögerungszellen 601-1, 601-2 ... 601-32 bereitgestellt und ist gestaltet, um den Phasenfehler so zu minimieren, dass die passende Verzögerung durch die 32 Verzögerungszellen 601-1, 601-2 ... 601-32 erstellt wird. Die Ausgaben der 32 Verzögerungszellen 601-1, 601-2 ... 601-32 werden für einen 32-zu-2 analogen Multiplexer 621 bereitgestellt, dessen Multiplexing-Vorgang durch ein bereitgestelltes 5-Bit-Steuerungssignal gesteuert wird. Die zwei Ausgaben des analogen Multiplexer 621 tragen die Pulssignale (Φ, Φ + π) für die Ausgabe auf dem NMR-Sender 12, wie im vorliegenden Text beschrieben. Die Phase des (Φ + π) Pulssignals ist von der Phase des Φ Pulssignals um 90 Grad verschoben.
Es gilt zu beachten, dass die DLL aus 6 in der Lage ist, mehrere Phasen (32, in der veranschaulichten Ausführungsform) gleichzeitig zu erstellen, und in der Lage ist, zwischen diesen ohne Zeitverzögerung zu wechseln. Die DLL kann gestaltet sein, um bei einer Zyklusverzögerung zu blockieren (und andere Lösungen bei Frequenzänderungen zu vermeiden) und rasch auf die Frequenzänderung zu reagieren.
7 zeigt eine Ausführungsform des NMR-Senders 12, wobei die Leistungsverstärkerfunktion und die digital gesteuerte variable Dämpfungsfunktion in eine Verstärkerstufe zusammengelegt werden. Die Verstärkerstufe nutzt ein Klasse E-Design mit einer Differenzeingangsstufe (Transistoren 701A und 701B), die jeweils einen in Reihe geschalteten Kaskode-Transistor (703A oder 703B) und Induktor (705A oder 705B) als entsprechende Belastungselemente nutzt. Das Klasse E-Design ist gestaltet, um einen breiten Frequenzbereich (im Gegensatz zur Klasse-D-Topologie) abzudecken und um darüber hinaus im Vergleich zu linearen PAs, wie z. B. Klasse A oder AB, den Energieverbrauch und die Wärmeerzeugung zu reduzieren. Die digital gesteuerte variable Dämpfungsfunktion wird durch einen Digital-Analog-Wandler 707 verwirklicht, dessen Ausgabe das Gatter von einem der Kaskode-Transistoren (703A) betreibt und funktioniert, um eine variable Dämpfung des Differenz-HF-Pulssignals bereitzustellen, das an den Drains der zwei Kaskode-Transistoren (703A, 703B) für die Ausgabe auf die externe Antenne 209 produziert wird. Für den Dämpfungsgrad kann zwischen 32 Werten gewählt werden, wie durch das 5-Bit-Steuerungssignal oder den Code, der am Eingang des Digital-Analog-Wandlers 707, bereitgestellt wird, vorgegeben.
8 zeigt eine Ausführungsform der rauscharmen Verstärkerstufe 227A des NMR-Empfängers 13 aus 2, der zwei in Reihe geschaltete Differenzverstärkerstufen 801A und 801B umfasst. Der doppelseitige Ausgang der Differenzverstärkerstufe 801B ist mit einer doppelseitigen Pegelverschiebungsstufe 803 verbunden. Die ausgewogene Struktur der in Reihe geschalteten Differenzverstärkerstufen 801A und 801B ermöglichen eine Unterdrückung der Gleichtaktstörung mit einer festen Differenzsignalverstärkung von ungefähr 200 und mit einem eingangsbezogenen Rauschen, das lediglich 0,8 nV/sqrt(Hz) beträgt. Das Vorspannen der Stufen des NMR-Empfängers 13 kann temperaturkompensiert sein, sodass die Verstärkung des NMR-Empfängers 13 während des Betriebs der NMR ASIC 10 nicht für erwartete Temperaturabweichungen empfindlich ist. In einer Ausführungsform nimmt die Verstärkung um 4dB ab, während sich die Temperatur von 25°C auf 150°C erhöht. Dieses Merkmal kann die Leistung der NMR ASIC 10 bei hohen Temperaturen verbessern.
9 zeigt eine Ausführungsform der digital gesteuerten Dämpfungsstufe 229 und die rauscharme Verstärkerstufe 227A des NMR-Empfängers 13 aus 2. Die digital gesteuerte Dämpfungsstufe 229 umfasst ein Widerstandsnetzwerk 901, das zwischen den Differenzeingängen (IN+ und IN–) und den Eingängen der zwei analogen Multiplexer 903A, 903B verbunden ist. Die Multiplexing-Vorgänge der zwei analogen Multiplexer 903A, 903B werden durch ein 4-Bit-Steuerungssignal gesteuert, das dort bereitgestellt wird und den Dämpfungsgrad der Dämpfungsstufe 229 steuert. In einer Ausführungsform kann der Dämpfungsgrad bis zu –72dB bei –6dB Schrittgrößen gesteuert werden, was einen breiten dynamischen Bereich ermöglicht, der für eine Reihe von NMR-Experimente passt, bei denen die Spinkonzentration und das Volumen variieren. Die Differenzsignalausgabe durch die zwei analogen Multiplexer 903A, 903B wird an den Eingängen der rauscharmen Verstärkerstufe 227B bereitgestellt. Die rauscharme Verstärkerstufe 227B umfasst eine einzelne Differenzverstärkerstufe 905, die mit einer doppelseitigen Pegelverschiebungsstufe 907 verbunden ist. Die Signalverstärkung der Verstärkerstufen kann durch eine Vorspannungsschaltung adaptiv an die Änderung der Umgebungstemperatur angepasst werden.
10 zeigt eine Ausführungsform der Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe 231 und der Tiefpassfilterstufe 233 des NMR-Empfängers 13 aus 2. Die Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe 231 wird mit dem oszillierenden HF-Referenzsignal (als LOi₊ und LOi_ bezeichnet) bereitgestellt, das durch den Taktsignalgenerator 217 erzeugt wird. Die Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe 231 verarbeitetet die verstärkte NMR-Signalausgabe durch die Verstärkerstufe 227B (als RF₊ und RF_ bezeichnet), um In-Phase-Signalkomponenten (1₊ und L) zu erzeugen, wobei die oszillierende Referenzsignalkomponente (LOi₊ und LOi_) mit der verstärkten NMR-Signalausgabe durch die Verstärkerstufe 227B (RF₊ und RF_) gemischt wird, sowie einzelne Quadratur-Phasenkomponenten (Q₊ und Q_), wobei die Quadraturphase des oszillierenden HF-Referenzsignals (LO_Q+ und LO_{Q_}) mit der verstärkten NMR-Signalausgabe durch die Verstärkerstufe 227B (RF₊ und RF_) gemischt wird. Die Mischung des oszillierenden HF-Referenzsignals (LOi₊ und LOi_) und der verstärkten NMR-Signalausgabe durch die Verstärkerstufe 227B (RF₊ und RF_) wird durch zwei Transistorpaare 1001A, 100IB erreicht, die eine passive Mischung bei einer konstanten Verstärkung von –3.9 dB oder einer anderen gewünschten Verstärkung bereitstellen, wie durch die Gestaltung der Transistoren 1001A, 100IB vorgegeben. Die Mischung der Quadratur-Phase des oszillierenden HF-Referenzsignals (LO_Q+ und LO_{Q_}) und der verstärkten NMR-Signalausgabe durch die Verstärkerstufe 227B (RF₊ und RF_) wird auch durch zwei Transistorpaare 1003A, 1003B erreicht, die eine passive Mischung bei einer konstanten Verstärkung von –3.9 dB oder einer anderen gewünschten Verstärkung bereitstellen, wie durch die Gestaltung der Transistoren 1003A, 1003B vorgegeben. Sowohl die In-Phase-Signalkomponenten (1₊ und L) als auch die Quadraturphasensignalkomponenten (Q₊ und Q_), die durch die Quadratur-Heterodyn-Demodulatorstufe 231 erzeugt werden, werden durch die Tiefpassfilterstufe 233 einer Tiefpassfilterung ausgesetzt. Die Tiefpassfilterung der In-Phase-Signalkomponenten (1₊ und L) kann durch eine Operationsverstärker- bzw. OpAmp-Filterschaltung 1005A erreicht werden, die die symmetrische(differenzielle)-zu-asymmetrische Tiefpassfilterung, wie dargestellt, bereitstellt. Die Grenzfrequenz kann bei 500 kHz oder einer anderen gewünschten Frequenz eingestellt werden, wie durch die Gestaltung der OpAmp-Filterschaltung 1005A vorgegeben. Die Tiefpassfilterung der Quadraturphasensignalkomponenten (Q₊ und Q_) kann durch eine OpAmp-Filterschaltung 1005B erreicht werden, die die symmetrische(differenzielle)-zu-asymmetrische Tiefpassfilterung, wie dargestellt, bereitstellt. Die Grenzfrequenz kann bei 500 kHz oder einer anderen gewünschten Frequenz eingestellt werden, wie durch die Gestaltung der OpAmp-Filterschaltung 1005B vorgegeben. Die gefilterten In-Phase- und Quadraturphasensignalkomponenten, die durch die Tiefpassfilterstufe 233 (I_out und Q_out) ausgegeben werden, können für die Signalverarbeitungsschaltung 235 aus 2, wie oben beschrieben, bereitgestellt werden.
11A–C sind schematische Schaubilder von verschiedenen Mehrkanal-NMR-Systemen, die die NMR ASIC aus 2 nutzen. 11A zeigt ein System mit drei Spulen 209, die in einer Reihenschaltung angeordnet sind, mit drei entsprechenden NMR ASICS 10. Die NMR ASICS 10 können gestaltet sein, um NMR-Pulssequenzen parallel zueinander für die Ausgabe paralleler Anregungssignale von den in Reihe geschalteten Spulen 209 zu übertragen. Diese Messungen können ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ergeben. Alternativ dazu können die NMR ASICS 10 gestaltet sein, um verschiedene NMR-Pulssequenzen parallel zueinander für die parallele Ausgabe der Anregungssignale zum Testen verschiedener Spinspezies (wie z. B. 1H, ¹⁹F usw.) mit den in Reihe geschalteten Spulen 209 zu übertragen. 11B zeigt ein System mit zwei Spulen 209, die in einer Quadratur-Konfiguration (d. h. im 90 Grad-Winkel zueinander) mit zwei entsprechenden NMR ASICS 10 angeordnet sind. Die Quadratur-Spulen 209 können im statischen Magnetfeld, z. B. Bo, positioniert werden, wobei die Achsen der beiden Spulen senkrecht zur Richtung von Bo sind. Die NMR ASICS 10 können gestaltet sein, um NMR-Pulssequenzen parallel zueinander für die Ausgabe paralleler Anregungssignale von den Quadratur-Spulen 209 zu übertragen. Diese Messungen können ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ergeben. 11C zeigt ein System mit vier Spulen 209, die in einer phasengesteuerten Konfiguration angeordnet sind, mit vier entsprechenden NMR ASICS 10. Die phasengesteuerten Spulen 209 können in einem statischen Magnetfeld, z. B. Bo, positioniert werden, wobei die Achsen der beiden Spulen senkrecht zur Richtung von Bo sind. Die NMR ASICS 10 können gestaltet sein, um NMR-Pulssequenzen parallel zueinander für die Ausgabe paralleler Anregungssignale von den phasengesteuerten Spulen 209 zu übertragen. Diese Messungen können ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ergeben.
Illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung richten sich ferner an Anwendungsbereiche in Öl- und Gasfeldern, wie beispielsweise Bohrloch-Logging-Werkzeuge. Insbesondere 12 zeigt ein Logging-While-Drilling(Protokollierung beim Bohren, LWD)-System 700 zur lokalen Überprüfung einer Substanz 702 in einer Erdformation 704 und zur Bestimmung einer Eigenschaft der Substanz, während der Bohrvorgang ausgeführt wird. Das LWD-System 700 umfasst einen Bohrstrang 708. Der Bohrstrang 708 ist innerhalb eines Bohrlochs 706 angeordnet, der die Formation 704 durchläuft. Der Bohrstrang 708 umfasst einen Bohrkragen 710 mit einer Bohrspitze 712, die am unteren Ende des Bohrkragens angeordnet ist. Das LWD-System 700 umfasst darüber hinaus ein Oberflächensystem mit einer Bohrturmbaugruppe und einer Plattformbaugruppe 714, die über dem Bohrloch 706 positioniert sind. Die Bohrturmbaugruppe 714 dreht den Bohrstrang 708 und, während sich der Bohrstrang dreht, bohrt die Bohrspitze 712 tiefer in das Bohrloch 706. Ein LWD-NMR-Logging-Modul 716 ist in dem Bohrkragen 710 angeordnet, sodass das Modul die umliegende Erdformation protokollieren kann, während der Bohrvorgang ausgeführt wird. Das Logging-Modul 716 kommuniziert mit der Ausrüstung an der Oberfläche 718, die eine Bedienerschnittstelle zur Kommunikation mit dem Modul umfasst. In verschiedenen Ausführungsformen, können das NMR-Logging-Modul 716 und die Bedienerschnittstelle über eine verkabelte Gestängerohr(Wired Drill Pipe, WDP)-Verbindung, eine akustische Telemetrieverbindung, optische Kommunikation und/oder elektronische Kommunikation kommunizieren.
13 zeigt ein LWD NMR-Logging-Modul 800 zum Anwenden von NMR-Pulssequenzen auf die Formation. Das Modul 800 umfasst Magnetabschnitte 804, die ein statisches Magnetfeld in einem Empfindlichkeitsbereich 806 in der Formation 802 erzeugen. Das Modul 800 umfasst darüber hinaus einen Bohrkragen 808 mit einem axialen Schlitz 810. Eine Spule 812 ist in dem axialen Schlitz 810 angeordnet, und der Schlitz ist mit einem Isolator, wie z. B. Keramik, Epoxid oder Glasfasern, gefüllt. Wie oben erläutert, enthält die Spule 812 zwei Spulenabschnitte, die in entgegengesetzter Polarität angeordnet sind. Die Spulenabschnitte sind um den Bohrkragen 808 mit dem axialen Schlitz 812 gewickelt. Der axiale Schlitz 812 ist durch eine Abdeckung 814 versiegelt. In einigen Ausführungsformen ist die Abdeckung 814 aus einem nicht magnetischen Material und/oder nicht leitenden Material. An einem Ende sind die Spulenabschnitte geerdet (z. B. am Bohrkragen 808). Am anderen Ende sind die Spulenabschnitte mit der NMR-Elektronik 816 verbunden, die einen IC-basierten NMR-Spektrometer 100 umfasst, wie beispielsweise in den 1 und 2 beschrieben. Die NMR-Elektronik 816 ist mit der Spule 812 beispielsweise über Druckdurchführungen verbunden. Die Spule 812 legt ein oszillierendes Magnetfeld (z. B. NMR-Pulssequenzen) an einen Bereich von Interesse 820 innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs 806 der Formation 802 an. Ein einigen Ausführungsformen, ist das oszillierendes Magnetfeld axial symmetrisch, um Messungen während der Rotation des Bohrstrangs zu erleichtern. Weitere Details zu NMR LWD-Systemen werden in der US-Patentanmeldung Nr. 5,629,623, die am 13. Mai 1997 erteilt wurde, und US-Patentanmeldung Nr. 6,392,410, die am 21. Mai 2002 erteilt wurde, beschrieben. Beide Patente sind hierin in ihrer Gesamtheit zum Zwecke der Bezugnahme aufgenommen. Ein spezifisches Beispiel für ein NMR LWD-Werkzeug ist das VISION^TM Tool von Schlumberger.
Die oben beschriebenen IC-basierten NMR-Systeme bieten zahlreiche Vorteile gegenüber im Handel erhältlichen NMR-Systemen. Eine integrierte NMR-Schaltung, wie im vorliegenden Text beschrieben, integriert Hauptkomponenten in einen winzigen Bereich, sodass sie keine langen und unnötigen Verbindungen benötigt. Verbindungen können viele Probleme verursachen, einschließlich störende Komponenten, elektromagnetische Interferenzen, Rauschen aufgrund des Kabelwiderstandes und zeitliche Disparität der Signale. Aufgrund ihrer kompakten Größe kann eine integrierte NMR-Schaltung sehr nah an der externen Spule positioniert werden. In Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis ist dies sehr hilfreich, da das Rauschen, das durch Kabel und das Impedanztransformationsnetzwerk erzeugt wird, reduziert werden kann.
Eine integrierte NMR-Schaltung, wie im vorliegenden Text beschrieben, hat auch enorme Vorteile bezüglich der Größe im Vergleich zu anderen im Handel erhältlichen Spektrometern. Darüber hinaus führen die oben beschriebenen effizient ausgelegten Schaltleistungsverstärker- und Niedrigleistungsmerkmale (Stromabschaltung, wenn nicht aktiviert) zu einem geringen Stromverbrauch. Durch die Kombination dieser beiden Merkmale kann das gesamte NMR-System sehr klein und tragbar gestaltet werden und überall abgestellt werden, wo es für chemische, biologische oder andere Experimente benötigt wird.
Da die integrierte NMR-Schaltung, wie im vorliegenden Text beschrieben, durch eine einfache Datenkommunikationsschnittstelle konfiguriert werden kann, können problemlos Mehrkanal-NMR-Systeme gebildet werden. Insbesondere kann ein in hohem Maße parallelisiertes System implementiert werden, in dem jede integrierte NMR-Schaltung Kontrolle über ihren eigenen Kanal hat.
In einer Ausführungsform können mehrere Kanäle in folgender Weise betrieben werden. Es können Pulssequenzen für jeden Kanal über die Datenkommunikationsschnittstelle der jeweiligen integrierten NMR-Schaltungen heruntergeladen werden. Wenn ein einzelnes Aktivieren-Signal, das mit allen der integrierten NMR-Schaltungen verbunden ist, aktiviert wird, kann jeder der NMR-Kanäle beginnen, seine eigene Pulssequenz synchron auszuführen. Auf diese Weise ist eine enge Synchronisation für mehrere Kanäle möglich. Dies ist besonders hilfreich für heteronukleare Experimente für mehrere Kanäle (INEPT, NOESY, HMQC).
Vorteilhafterweise ist der Pulsssequenzgenerator der integrierten NMR-Schaltung in der Lage, willkürliche Pulssequenzen auszuführen. Dies ist ein Vorteil bei NMR-Anwendungen, die verschiedene und komplexe Sequenzen ausführen sollen, einschließlich NMR-Spektroskopie, Diffusion, mehrdimensionale Experimente und Mehrkanal-(mehrere Kerne, wie z. B. Kohlenstoff-Proton)NMR.
Darüber hinaus hat die integrierte NMR-Schaltung viele Einsatzbereiche auf Ölfeldern, einschließlich der Analyse von Bohrkernen entweder im Bohrloch in einem speziellen Messmodul oder in einem Labor oder einem Bohrstellensystem. In einer Laborumgebung verwendet das konventionelle NMR-System getrennte elektronische Komponenten, und daher ist die Elektronik sperrig und teuer. Die NMR ASIC kann einen Großteil der sperrigen Elektronik ersetzen und NMR-Messung für Bohrkerne ausführen. In der Bohrlochumgebung kann die NMR ASIC als Teil eines Logging-Tools integriert sein. Beispielsweise kann sie als Teil eines NMR-Kernanalysemoduls eines Kernprobenentnahmewerkzeugs im Bohrloch integriert sein. Das Kernprobenentnahmewerkzeug extrahiert eine Bohrkernprobe aus dem Bohrloch und transportiert Probe in das NMR-Kernanalysemodul. Sobald sie sich im Modul befindet, kann die NMR ASIC verwendet werden, um eine Reihe von NMR-Messungen für den Bohrkern durchzuführen. Die Verwendung der NMR ASIC kann in erheblichem Maße das Volumen der Elektronik und damit Kosten reduzieren. Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist im Labor oder für Bohrlochmessungen für Rohölproben. Es ist insbesondere wichtig, derartige Messungen in Bohrlochbedingungen durchzuführen, da Rohöl möglicherweise seine Eigenschaften ändert, wenn die Probe nach oben gebracht wird, was zu Änderungen hinsichtlich Druck und Temperatur führt.
Die NMR ASIC hat zusätzlich zur Einsatzmöglichkeit im Ölfeld noch weitere Einsatzmöglichkeiten. In verschiedenen Ausführungsformen ermöglicht es die Programmierbarkeit der Pulssequenzsteuerung der NMR ASIC, der NMR ASIC eine Vielzahl an Pulssequenzen als Teil der NMR-Experimente die von der NMR ASIC ausgeführt werden, zu nutzen. Dabei handelt es sich um eine wesentliche Unterscheidung in Bezug zu Systemen des Stands der Technik, bei denen die Pulssequenzen auf CPMG beschränkt sind. Dieses Merkmal ermöglicht es der NMR ASIC demnach, Experimente mit mehrdimensionaler Spektroskopie sowie mehrdimensionale Relaxations- und Diffusionsexperimente auszuführen.
Die NMR ASIC hat weitere Einsatzbereiche in der Material-/Flüssigkeitscharakterisierung mithilfe von kleinformatigen oder mobilen NMR-Vorrichtungen, bei denen die reduzierte Größe der Elektronik besonders nützlich ist. Beispielsweise kann die NMR ASIC Teil eines kleinen oder Mikro-NMR-Systems sein, das kleine oder Mikro-NMR-Spulen (z. B. kapillare und mikrofluidische Vorrichtungen mit einem Durchmesser von 0,1 mm, wie z. B. ein Lab-on-a-Chip bzw. Chiplabor) verwendet. Solche kleinformatigen oder Mikro-NMR-Systeme können gemeinsam mit einem konventionellen Hochfeldmagneten genutzt werden, um NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz auszuführen, oder sie können mit kleinen Magneten (häufig basierend auf Dauermagneten) für kostengünstige und tragbare NMR-Systeme genutzt werden.
Da die ausgegebene HF-Leistung der NMR ASIC durch die Gestaltung beschränkt wird, kann es für größere Probengrößen möglicherweise von Vorteil sein, den Ausgang des NMR-Senders der NMR ASIC auf einen externen HF-Verstärker zu richten. In dieser Konfiguration ist der externe HF-Verstärker zwischen den NMR-Sender der NMR ASIC und der externen Antenne gekoppelt. Der externe HF-Verstärker kann die HF-Leistung der Anregungssignale steigern, um bei Bedarf die umfassendere Probengröße abzudecken.
Die hier offenbarten Komponenten, Schritte, Merkmale, Objekte, Nutzen und Vorteile sollen lediglich veranschaulichend sein. Keine davon und auch keine der Diskussionen in Bezug auf diese sind vorgesehen, den Schutzumfang auf irgendeine Weise einzuschränken. Zahlreiche andere Ausführungsformen werden ebenfalls in Betracht gezogen, darunter Ausführungsformen, die weniger, zusätzliche und/oder andere Komponenten, Schritte, Merkmale, Objekte, Nutzen und Vorteile haben.
Kein Bestandteil, der angegeben oder veranschaulicht wurde, ist dazu vorgesehen, in der Öffentlichkeit eine Bevorzugung einer der Komponenten, Schritte, Merkmale, Objekte, Nutzen und Vorteile o. ä. zu verursachen. Obgleich die Spezifikation bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschreibt, kann der Fachmann Variationen der vorliegenden Offenbarung gestalten, ohne von den erfindungsgemäßen Konzepten abzuweichen, die in der Offenbarung offenbart sind.
In der vorliegenden Anmeldung ist der Verweis auf ein Element in der Singularform nicht dafür vorgesehen, „ein/eine/eines und nur ein/eine/eines“ zu bedeuten, sofern nicht derart angeben, sondern eher „ein/eine/eines oder mehrere“. Alle strukturellen und funktionalen Äquivalente zu den Elementen der verschiedenen Ausführungsformen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind, die dem Fachmann bereits bekannt sind oder künftig bekannt werden, sind hierin ausdrücklich zum Zwecke der Bezugnahme aufgenommen.
Obgleich im obigen Text nur wenige Beispielausführungsformen im Detail beschrieben werden, wird dem Fachmann sofort klar sein, dass viele Modifikationen in den Beispielausführungsformen möglich sind, ohne erheblich von dieser Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind sämtliche derartige Modifikationen vorgesehen, in den Umfang dieser Offenbarung aufgenommen zu werden, wie in den folgenden Ansprüchen definiert.

Claims

Integrierte Schaltung für die gemeinsame Verwendung mit einer externen Antenne, wobei die integrierte Schaltung umfasst: eine Speicherschaltung, die gestaltet ist, um benutzerdefinierte Parameterdaten zu speichern, die zu einer Anregungsperiode, einer Verzögerungsperiode ohne Anregung und einer Erfassungsperiode gehören, die Teil einer NMR-Pulssequenz sind; eine Pulssequenzsteuerung und NMR-Senderschaltung, die zusammenarbeiten, um Hochfrequenz(Radio Frequency, RF, HF)-Signale gemäß den benutzerdefinierten Parameterdaten zu erzeugen, die in der Speicherschaltung gespeichert sind, wobei die integrierte Schaltung gestaltet ist, um die HF-Signale an der externen Antenne bereitzustellen, um Anregungssignale von der externen Antenne während der Anregungsperiode der NMR-Pulssequenz auszusenden; und eine NMR-Empfängerschaltung zum Empfangen von elektrischen Signalen, die während der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz durch die externe Antenne erzeugt werden.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei: die benutzerdefinierten Parameterdaten Informationen darstellen, die zu der Anregungsperiode, Verzögerungsperiode ohne Anregung und Erfassungsperiode gehören, die Teil der NMR-Pulssequenz sind, wobei diese Informationen aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Folgendem bestehen: (i) eine Zeitdauer für die Anregungsperiode, eine Impulsamplitude für die Anregungssignale, eine Impulsphase für die Anregungssignale, eine Zeitdauer für die Erfassungsperiode, eine Zeitdauer für die Verzögerungsperiode ohne Erfassung, eine Zeitperiode zwischen der Anregungsperiode und der Erfassungsperiode, einen Schleifenbeginn und ein Schleifenende für eine Schleife von NMR-Pulssequenzen, und Informationen, die den NMR-Empfänger während der Erfassungsperiode aktivieren oder deaktivieren.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei: die Speicherschaltung gestaltet ist, um benutzerdefinierte Parameterdaten zu speichern, die zu einer Anregungsperiode und einer Erfassungsperiode für mehrere NMR-Pulssequenzen gehören.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: eine Datenkommunikationsschnittstelle zu einem Host-System, wobei die Datenkommunikationsschnittstelle gestaltet ist, um die benutzerdefinierten Parameterdaten vom Host-System zu empfangen und die empfangenen benutzerdefinierten Parameterdaten an die Speicherschaltung zur dortigen Speicherung zu übertragen.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei: die Datenkommunikationsschnittstelle ein serielles SPI (Serial Peripheral Interface) umfasst, das eine synchrone serielle Datenkommunikation vom Host-System unterstützt.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens einen Ausgangs-Port für die Ausgabe von elektrischen Signalen in analoger Form, wie sie durch die NMR-Empfängerschaltung erzeugt werden.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: einen Eingangs-Port, der gestaltet ist, um ein oszillierendes HF-Referenzsignal einzugeben.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 7, wobei: die NMR-Senderschaltung gestaltet ist, um einen Puls eines oszillierenden HF-Signals an einer digital gesteuerten Phasenverschiebung in Bezug auf das oszillierende HF-Referenzsignal zu erzeugen, wobei die digital gesteuerte Phasenverschiebung durch bestimmte benutzerdefinierte Parameterdaten vorgegeben ist, die durch die Speicherschaltung gespeichert werden.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 8, wobei: die NMR-Senderschaltung ferner gestaltet ist, um ein oszillierendes HF-Signal an einer Phase zu erzeugen, die in Bezug auf die digital gesteuerte Phasenverschiebung um 90 Grad verschoben ist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 8, ferner umfassend: Mehrphasengenerator, der durch eine Verzögerungsschleife (DLL) verwirklicht wird, die mehrere in Reihe geschaltete Verzögerungszellen aufweist, deren Ausgänge mit einem digital gesteuerten Multiplexer verbunden sind, wobei der digital gesteuerte Multiplexer gestaltet ist, um unter der Steuerung von benutzerdefinierten Parameterdaten betrieben zu werden, die durch die Speicherschaltung gespeichert werden, die die digital gesteuerte Phasenverschiebung darstellt.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei: die NMR-Senderschaltung ein digital gesteuertes Dämpfungsglied umfasst, das für mindestens einen oszillierenden HF-Signalausgang der NMR-Senderschaltung eine gesteuert Dämpfung bereitstellt, wobei das digital gesteuerte Dämpfungsglied gestaltet ist, um unter der Steuerung von benutzerdefinierten Parameterdaten betrieben zu werden, die durch die Speicherschaltung gespeichert werden.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 11, wobei: das digital gesteuerte Dämpfungsglied einen Kaskode-Transistor umfasst, der Teil einer Leistungsverstärkerstufe ist, wobei der Kaskode-Transistor eine Gate-Elektrode aufweist, die betreibbar mit einem Digital-Analog-Wandler verbunden ist, wobei der Digital-Analog-Wandler und der Kaskode-Transistor zusammenarbeiten, um für mindestens einen oszillierenden HF-Signalausgang von der Leistungsverstärkerstufe gemäß einem digitalen Steuerungssignal, das dem Digital-Analog-Wandler bereitgestellt wird, eine gesteuerte Dämpfung bereitzustellen, wobei das digitale Steuerungssignal auf benutzerdefinierten Parameterdaten basiert, die von der Speicherschaltung gespeichert werden.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 11, wobei: das digital gesteuerte Dämpfungsglied gemäß benutzerdefinierten Parameterdaten, die durch die Speicherschaltung gespeichert werden, gesteuert wird, die die Impulsamplitude für die Anregungssignale der NMR-Pulssequenz darstellen.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei: die NMR-Empfängerschaltung ein digital gesteuertes Dämpfungsglied umfasst, das für mindestens ein elektrisches Signal, das von der externen Antenne während der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz abgeleitet wird, eine gesteuert Dämpfung bereitstellt, wobei das digital gesteuerte Dämpfungsglied gestaltet ist, um unter der Steuerung von benutzerdefinierten Parameterdaten betrieben zu werden, die durch die Speicherschaltung gespeichert werden.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 14, wobei: die NMR-Empfängerschaltung ferner zwei Verstärkerstufen mit festem Gain umfasst, und das digital gesteuerte Dämpfungsglied betreibbar zwischen zwei festen Verstärkerstufen angeordnet ist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 14, wobei: das digital gesteuerte Dämpfungsglied ein Widerstandsnetzwerk umfasst, das betreibbar mit mindestens einem analog Multiplexer verbunden ist, der durch dort bereitgestellte digitale Steuerungssignale gesteuert wird.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei: die Pulssequenzsteuerung ausgelegt ist, um NMR-Experimente zu initiieren, bei denen mindestens eine NMR-Pulssequenz in Reaktion auf ein Aktivieren-Signal, das zur integrierten Schaltung kommuniziert wird, beteiligt ist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die integrierte Schaltung Teil eines Bohrlochwerkzeugs ist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die integrierte Schaltung gestaltet ist, um mindestens ein Experiment mit mehrdimensionaler Spektroskopie, ein mehrdimensionales Relaxations- oder Diffusionsexperiment auszuführen.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die integrierte Schaltung Teil einer Labor-NMR-Vorrichtung oder einer kleinformatigen NMR-Vorrichtung oder einer tragbaren NMR-Vorrichtung ist.
Mehrkanal-NMR-System umfassend: mehrere integrierte Schaltungen, jeweils für die gemeinsame Verwendung mit einer externen Antenne, wobei jede integrierte Schaltung jeweils umfasst i) eine Speicherschaltung, die gestaltet ist, um benutzerdefinierte Parameterdaten zu speichern, die zu einer Anregungsperiode, einer Verzögerungsperiode ohne Anregung und einer Erfassungsperiode gehören, die Teil einer NMR-Pulssequenz sind, ii) eine Pulssequenzsteuerung und NMR-Senderschaltung, die zusammenarbeiten, um Hochfrequenz(Radio Frequency, RF, HF)-Signale gemäß den benutzerdefinierten Parameterdaten zu erzeugen, die in der Speicherschaltung gespeichert sind, wobei die integrierte Schaltung gestaltet ist, um die HF-Signale an der externen Antenne bereitzustellen, um Anregungssignale von der externen Antenne während der Anregungsperiode der NMR-Pulssequenz auszusenden; und iii) eine NMR-Empfängerschaltung zum Empfangen von elektrischen Signalen, die während der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz durch die externe Antenne erzeugt werden; wobei die Pulssequenzsteuerung jeder einzelnen integrierten Schaltung ausgelegt ist, um NMR-Experimente zu initiieren, bei denen mindestens eine NMR-Pulssequenz in Reaktion auf ein Aktivieren-Signal, das zur integrierten jeweiligen Schaltung kommuniziert wird, beteiligt ist.
NMR-Vorrichtung umfassend: ein Host-System; mindestens eine integrierte Schaltung für die gemeinsame Verwendung mit einer externen Antenne, wobei die integrierte Schaltung umfasst: i) eine Speicherschaltung, die gestaltet ist, um benutzerdefinierte Parameterdaten zu speichern, die zu einer Anregungsperiode, einer Verzögerungsperiode ohne Anregung und einer Erfassungsperiode gehören, die Teil einer NMR-Pulssequenz sind, ii) eine Pulssequenzsteuerung und NMR-Senderschaltung, die zusammenarbeiten, um Hochfrequenz(Radio Frequency, RF, HF)-Signale gemäß den benutzerdefinierten Parameterdaten zu erzeugen, die in der Speicherschaltung gespeichert sind, wobei die integrierte Schaltung gestaltet ist, um die HF-Signale an der externen Antenne bereitzustellen, um Anregungssignale von der externen Antenne während der Anregungsperiode der NMR-Pulssequenz auszusenden; iii) eine NMR-Empfängerschaltung zum Empfangen von elektrischen Signalen, die während der Erfassungsperiode der NMR-Pulssequenz durch die externe Antenne erzeugt werden; und iv) eine Datenkommunikationsschnittstelle zu dem Host-System, wobei die Datenkommunikationsschnittstelle gestaltet ist, um die benutzerdefinierten Parameterdaten vom Host-System zu empfangen und die empfangenen benutzerdefinierten Parameterdaten an die Speicherschaltung der integrierten Schaltung zur dortigen Speicherung zu übertragen.
NMR-Vorrichtung gemäß Anspruch 22, wobei: die mindestens eine integrierte Schaltung ferner mindestens einen Ausgabe-Port zum Ausgeben von elektrischen Signalen in analoger Form umfasst, wie durch die NMR-Empfängerschaltung der integrierten Schaltung erzeugt; und die NMR-Vorrichtung ferner eine Signalverarbeitungsschaltung, die mit dem mindestens einen Ausgabe-Port betreibbar verbunden ist, zur Verarbeitung der elektrischen Signale umfasst, die vom Ausgabe-Port ausgegeben wurden.
NMR-Vorrichtung gemäß Anspruch 22, wobei die NMR-Vorrichtung Teil eines Bohrlochwerkzeugs ist.
NMR-Vorrichtung umfassend: die integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1; eine externe Antenne; und einen externen HF-Verstärker, der zwischen den NMR-Sender der integrierten Schaltung und der externen Antenne betreibbar gekoppelt ist.