基于NMR技术的便携式复核绝缘核磁共振传感器研究

基于NMR技术的便携式复核绝缘核磁共振传感器研究
摘要：高场核磁共振谱仪（或医用磁共振成像仪）由于其体积庞大、笨重、移
动性差等不足，限制了其在实际样品的现场检测（对病人病情的实时监控）方面
的应用；便携式低场核磁共振传感器以其便携性和开放性等优点弥补了高场核磁
共振谱仪的不足[18]，得到学者的广泛关注，成为核磁共振技术研究的前沿课题。

本章围绕本人在研究生期间制作的夹钳式核磁共振传感器进行展开，依次介绍了
传感器的夹钳式结构、磁体结构、射频线圈和调谐匹配电路等内容。

该传感器，
小巧便携，配合核磁共振谱仪设备构成了复合绝缘子老化检测核磁共振测量系统
的硬件部分。

关键词：便携式；核磁共振；传感器诊断
一、便携式核磁共振传感器研究现状
便携式核磁共振源于核磁共振测井技术的―inside-out‖理念，即将传感器置于
井腔中，对井腔周围的液体进行测量，这种理念颠覆了传统的将样品置于磁体中
进行测量的思维。

便携式核磁共振传感器通过永磁体的组合在期望的目标区域内
产生均匀度相对较高的静态磁场，来实现对物质微观结构的分析。

(a)Jackson 磁体结构[45] (b) Numar 磁体结构[46] (c) Schlumberger 磁体结构[47] 图 1.1 核磁共振测井传感器
另一种具有代表性的便携式核磁共振传感器是由德国亚琛工业大学 Blümich
等人设计并制作的单边核磁共振传感器 NMR-MOUSE (Mobile Universal Surface Explorer)。

单边核磁共振传感器的目标区域位于磁体结构的一边，且重量不到 2kg，具有很好的开放性和便携性，可用于对食品、文物壁画、橡胶及高分子材料进行
无损分析。

二、便携式核磁共振传感器结构
2.1 磁体结构
稳定、恒定的均匀静磁场是核磁共振发生的理想条件[63,64]。

考虑到开放性、便携式的设计，我们选用磁性较强的钕铁硼（NdFeB）永磁体构建静态磁场 B0。

考虑到圆柱形磁体产生的磁场具有轴对称特性，圆柱对称轴子午面上的磁场分布
相同，永磁体片采用圆柱形结构。

我们对两个永磁体片按磁化方向一致同轴相对
放置的方式进行 Maxwell 仿真（Ansoft, Pittsburgh, PA, USA）。

便携式核磁共振传
感器结构图如图2.1。

(a) 磁体结构 (b) 磁体模块单元 (c) 核磁共振传感器实物图图 2.1便携式核磁共
振传感器结构
2.2 射频线圈
根据核磁共振理论，宏观磁化矢量的运动轨迹在封闭线圈中可以感生电流，
即 MR 信号。

射频线圈用于产生射频磁场 B1。

平面螺旋线圈产生的射频磁场垂直
于线圈表面，是基于单电流载流线的设计思想，适用于与静磁场平行于磁体表面
的磁体结构配合使用。

“8”字形平面线圈产生的射频磁场平行于线圈表面，是基于两个流过反向电流的载流环的设计思想，适用于与静磁场垂直于磁体表面的磁体
结构配合使用。

蝴蝶型线圈由两个“8”字型线圈构成。

平面“8”字形线圈产生的射
频磁场透入深度较平面螺旋线圈小，但也使得其对远场噪声不敏感，具有抗干扰
能力强的优点。

(a) 平面螺旋线圈(b) ―8‖字型平面圈 (c) 蝴蝶型线圈图 2.2常见的低场 NMR
平面射频线圈
2.3调谐匹配电路
射频线圈的调谐与匹配就是，调节线圈的谐振频率为与磁体结构目标区域磁
场相对应的共振频率，并匹配线圈的总阻抗为传输线的特性阻抗以使线圈获得最
大发射能量。

鉴于核磁共振功放系统和同轴电缆的特性阻抗为50Ω，我们需要对
射频线圈进行调谐和匹配，使得从输入端看进去 NMR 探头电路（包含射频线圈
和调谐匹配电路）的阻抗为50Ω，并确保频率是我们所需要的共振频率。

该传感
器采用的调谐匹配电路如图 3.10 中虚线框中部分所示。

三、便携式核磁共振传感器参数设计
磁体结构：永磁体仿真参数设置如下：半径 R=10mm，厚 h=3mm；材料设置
为 NdFeB 材料；磁化方向为 z 轴正方向。

为了增强主磁场 B0 的磁场强度，在每
个永磁体片背后附加一个半径为 10mm，厚为 2.2mm 的圆柱形铁片。

图 3.1 给出
了仿真得到的在两个永磁体片中间区域（半径为 10mm，厚度为 10mm）的磁场
分布图。

(a)磁场幅值云图；(b)磁场矢量方向图
图 3.1 永磁体片中间区域的磁场分布图
射频线圈：射频线圈的选取应根据目标区域内静磁场 B0 的分布而定。

在 2.1
节中磁体结构产生的静磁场 B0 垂直于磁体表面，为了在目标区域得到与静磁场
B0 垂直的射频磁场，同时减少远场噪声对射频磁场的干扰，射频线圈采用“8” 字
形平面线圈结构。

我们用 Maxwell 软件对单面和双面线圈在线圈上方产生的磁场
进行静态场仿真。

为此，我们设置线圈尺寸、剖分元大小、激励电流等参数相同，唯一不同的是双面线圈进行了双面敷线，仿真磁场结果如图 3.2所示。

在目标区域，双面线圈产生的磁场均匀度是单面线圈的 1.6 倍。

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10x (mm)
图 3.2 单面(a)和双面(b)线圈在线圈上方产生的磁场对比
匹配电路：通过实际探头电路的制作与调试，最终采用 220pF 和 68pF 片状无
磁电容（American Technical Ceramics, NY, USA）相并联得到调谐电容 CT；68pF 和33pF 片状无磁电容相并联得到匹配电容2CM 。

我们可以借助 R.F. Sweeper
405NV+扫描仪（Morris Instruments Inc, Canada）查看射频线圈的匹配效果。

NMR 探头电路通过50Ω 的同轴电缆连接到 R.F. Sweeper 扫描仪上。

屏幕显示，射频线
圈在 9.5343MHz 处匹配到50Ω。

利用图 3.3 中 Sweeper 扫描仪屏幕上射频线圈的
匹配曲线，
图 3.3 射频线圈的调谐匹配情况
四、低场核磁共振实验
按图4.1所示，将夹钳式核磁共振传感器夹持在硅橡胶绝缘子伞裙护套上射
频线圈探头通过50Ω的同轴电缆连接到Kea 2谱仪上。

通过USB连接线将谱仪连接到计算机上，依次打开TOMCO功放的电源开关、ENABLE开关，谱仪总开关。

调用“Kea-NMR”命令中的“Wobble”宏命令，查看线圈电路的调谐匹配结果。

理想情况下，一个调谐匹配良好的探头在共振频率处，反射回来的能量应该为零。

调用时，Wobble 宏命令同时扫描射频脉冲和接受器的频率，在每一个频率点处，接收器会采集一些点的能量值，取平均值后显示在屏幕上。

图4.1 传感器夹在硅橡胶绝缘子伞裙护套上
由于该传感器采集到的数据不如传统的高场核磁共振分析仪稳定，我们在相
同CPMG脉冲序列参数下对每一组样品进行了3次测量。

CPMG脉冲序列能量作
用下射频线圈发热，导致测量区域伞裙温度上升，而横向弛豫时间是与温度相关
的 [80]，为此，不同样品之间进行轮流测试。

图4.2为样品A2在CPMG脉冲序列作用下得到的弛豫数据。

左图为原始CPMG回波信号，横坐标为时间，纵坐标为
从探头线圈接受到的信号幅值；右图是把原始CPMG回波信号的峰值提取出来，
得到的 CPMG回波串数据，其中，Fit result: (T2=100.4ms)是对CPMG回波串数据
进行单指数函数拟合得到的拟合结果。

图4.2 CPMG脉冲序列作用下得到的弛豫数据
五、结束语
由于绝缘材料的介电常数反映材料的绝缘性能，因此可用绝缘子伞裙的相对
介电常数的变化来反映其老化程度。

实验采用Agilent 4294A阻抗分析仪配合16451B电介质测量夹具测量硅橡胶绝缘子伞裙材料的相对介电常数。

16451B 电
介质测量夹具采用了平行极板技术，将被测材料夹在两电极间形成电容器，通过
测试电容特性，计算出材料的介电常数和损耗因子。

对不同运行年限的复合绝缘
子相对介电常数和横向弛豫时间的比较。

随着运行时间的增加，相对介电常数成
比例减小，横向弛豫时间的变化和相对介电常数有很好的对应关系。

但尚需指出，由于老化造成的硅橡胶内部成分的改变是相当复杂的，化学和物理反应对相对介
电常数和横向弛豫时间的影响是不同的。

对比的结果说明，横向弛豫时间对绝缘
子的老化更灵敏。

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