地面核磁共振找水仪大功率发射机的研制

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为缓解中国西部地区淡水供需矛盾，研制了一种大功率核磁共振找水仪发射机。该发射机由DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）芯片产生频率为当地拉莫尔频率的信号，通过大功率开关器件IGBT （ Isolation Gate Bipolar Transistor）向天线等负载输出交变电流，从而激发地下水中氢质子产生可供检测的核磁信号，已成功应用到地面核磁共振找水仪样机中。与目前世界上唯一商品化的法国NUM IS （ Nuc learMagnetic Induction System ）系统相比，其频率范围（ 1 ~ 4 kH z）比NUM IS （ 0.8 ~ 3 kH z）宽，最大脉冲矩（ 18 000 A.m s）比NUM IS （ 9 000 A.m s）大，能够应用于更深层地下水的探测。
          引言
          地面核磁共振找水方法是目前世界上唯一的直接找水的地球物理方法。地面NMR （ Nuclear Magnetic Resonance）找水方法的原理是基于研究地下水中氢核弛豫特性的差异形成的NMR效应。通过观测外加磁场去掉后，氢核在向激发前状态恢复的过程中，旋进产生的交变磁场在接收线圈中引起电动势的变化来研究地下岩层的含水性。地面NMR找水仪就是根据NMR找水方法原理制成的。目前，法国IRIS公司研制的地面核磁感应系统（ NUM IS： NuclearM agnetic Induction System ）是世界上最为广泛应用的NMR找水仪器。目前使用该仪器的国家有俄罗斯、法国、中国和德国。2006年吉林大学核磁共振项目组已成功研制出核磁共振找水仪科研样机。地面核磁共振找水仪发射机是地面核磁共振找水仪的重要组成部分，只有用足够大功率的交变电流脉冲产生的交变磁场来激发地下水中的氢核，才能产生可供检测的核磁共振现象，保证自由感应衰减（ FID： Free Induction Decay）信号的有效接收.为此设计了大功率核磁共振找水仪发射机，在线圈中瞬时最大发射电流高达300 A，最大电压高达3 000 V （线圈中的谐振电流和电压，并非桥开关的输出，桥开关的输出比它小得多）。
          1核磁共振找水仪发射机的原理及组成图1是地面核磁共振找水仪发射机组成原理框图，主要由电源模块、信号产生模块、驱动模块、桥路开关模块等组成。发射机的电源模块给桥路开关提供能量，信号产生模块产生拉莫尔频率的方波信号，通过驱动电路驱动H桥路工作，在线圈和电容回路中形成串联谐振，在线圈中产生大功率正弦电流脉冲，激发水中氢质子旋进产生NMR （Nuclear Magnetic Resonance）信号。
       
        2系统总体设计方案
          2.1电源模块
          线圈的面积及激发脉冲距（发射电流的幅度与持续时间的乘积）是影响探测深度的最主要因素，但改变线圈的面积在野外实现较复杂，因此设计出大功率可调的电源模块，提高发射脉冲矩，加大探测深度，使探测效果更明显。电源由2块12V电瓶串联供电。+24 V电压经DC/DC变换器（由单片机控制），提供0~ 400 V可调直流电压，该电压向0.132 F的电容器充电。01132 F的电容器就是发射机的供电电源。该电源可输出0~ 400 V可调电压，最大电流300 A.
          2.2信号产生及驱动电路设计
          由单片机控制DDS芯片AD9850产生拉莫尔频率的方波信号，该信号再通过相应的逻辑电路产生驱动电路的输入信号.驱动模块由富士公司生产的EXB841构成， EXB841式混合IC（ Integrated Circuit）能驱动高达300 A， 1 200 V的IGBT （ Isolation Gate Bipolar Transistor）。采用H桥开关电路，如图2所示，这样能有效产生交变磁场，极化氢质子。其工作时总是成对角线式的工作状态，即当Q1和Q4导通时， Q2和Q3截止；反之亦然。为了防止半桥上的两个开关器件同时导通，必须在开关器件开通截止间设置死区时间，在这里采用可重触发的单稳态触发器74HC123，如图3所示，可通过调节其外围电路的电阻和电容大小来改变死区时间。另外，为了保证开关器件的安全工作还设计了有效的缓冲电路，详细叙述请参见文献.由于核磁共振有效信号为纳伏（ nV ）级信号，所以要用多次叠加方法提高信噪比，系统默认64次叠加。这就要求发射机按照固定的时序向线圈发射波形，即发射机每次发射的信号相位必须相同，这样才能保证信号的有效叠加。这里通过软件控制DDS芯片AD9850每次输出信号的相位总是相同的，另外巧妙地把该输出信号作为与控制时序相关芯片的时钟，这样就保证了发射信号的输出相位相同.
         
          2.3发射电路
       
        发射电路主要由外加信号（即桥路输出信号）、电容器、二极管和线圈等组成，如图4所示。笔者研制的地面核磁共振找水仪发射和接收用同一线圈，这就需要在发射和接收回路间有快速的切换开关，这样才能不影响核磁信号的接收。通过桥路开关向发射电路发射大功率方波信号时，线圈和电容器C1形成串联谐振回路，当方波信号的频率为（ 2π√ LC1 )-1时，回路发生串联谐振。谐振时回路阻抗最小电流最大，回路储存能量也就最大，电容C2和二极管不会影响回路，因二极管导通电阻很小可以忽略， C2此时相当于断路。发射40ms（系统默认发射时间）后停止，此时该回路处于自由振荡状态，线圈和电容器C1及C2谐振，谐振频率为（ 2π√ LC1 )-1，其中C = C1C2 / （C1 + C 2 ）。这样就远离了拉莫尔频率，不会出现干扰核磁共振现象；同时二极管的管压降是一定的，此时回路中电流会越来越小，二极管的等效电阻会越来越大，就会更多地消耗回路能量，加快回路的关断速度.
          3整机测试
          图5为笔者在长春市新立城镇腰高家窝堡进行地面核磁共振找水仪进行实验时，测得的发射回路中的发射波形，发射电流为50 A，基本为正弦波。
         
          经过试验测得发射机参数如表1所示。
         
          表中将本发射机机与法国NUM IS的发射机进行了对比，两者最大发射电流都为300 A，本发射机的频率范围（ 1~ 4 kHz） ，比NUM IS的（ 0.8 ~ 3kH z）宽，且最大脉冲矩（ 18 000 A.ms）比NUM IS （ 9 000A.ms）大，验证了本发射机设计方案的可行性。
       
        4结语
          由试验可知，地面核磁共振找水仪发射机基本达到或超过了NUM IS的相应参数。将其应用到地面核磁共振找水仪科研样机中，成功找到了核磁信号。