一种聚焦型超导核磁共振探测装置的制作方法

本发明涉及地质勘测技术领域，具体涉及一种聚焦型超导核磁共振探测装置。

背景技术：

近年来，随着我国经济发展不断深化，在基础建设方面，特别是施工方面的勘察需求日益加剧，勘察精度要逐步提高，勘察深度逐步增加。核磁共振(magneticresonancesounding，mrs)超前预报作为直接探测地下水的地球物理方面前沿技术，它利用人工激发的电磁场使水中的h核产生具有特征进动频率的宏观磁矩，通过接收装置采集mrs晚期延时信息，探明一定深度的水分布情况。该技术具有灵敏度较高，分辨率好，信息量丰富，解唯一，无损测试、反演速度快、成像效果好等特点，能测定地下水层的深度、储水量和孔隙度等水文地质信息，特别是对低阻充水破碎带反映灵敏。

在地层中h核是具有核子顺磁性的物质中丰度最高的核子，其磁矩不为零，在核磁共振过程中正是利用了水中氢核具有顺磁性这一特性。在稳定的地磁场b0作用下，具有一定磁矩的氢核绕地磁场进动，进动频率由larmor方程计算。根据实测的地磁场b0和氢核的磁旋比γp，就可以求出水中质子的larmor进动频率ω0。

ω0＝γp|b0|(1)

在线圈中通入交变电流i(t)，其频率等于larmor频率ω0。

i(t)＝i0cos(ω0t)(2)

在地下形成的交变电磁场激发下，地下水中的氢质子产生能级跃迁，大量的氢质子跃迁到高能级上。垂直于地磁场b0的激发磁场垂直分量b1⊥使质子的核磁化强度m0偏离沿地磁场方向的平衡位置一个角度θ，称为扳倒角。

其中，q＝i0τ是电流脉冲矩。脉冲矩q越大，探测的距离越大。

当撤去供电电流，这些高能级氢质子便逐渐回到低能级状态，释放出大量的具有larmor频率的能量子，在接收线圈中感应出mrs信号，通过对接收线圈中感应出mrs信号反演，得到地下含水量信息。现有的核磁共振技术主要采用居中型同位线圈，接收待测区域h核电子能级跃迁所发射电磁信号。在实际生产过程中，受仪器灵敏度和信号损耗等限制，发射线圈激发的磁场强度一般只能够达到50米-100米的勘测，同时接收线圈反馈回来的电磁信号受地磁场、外界环境等电磁干扰较大，特别是在隧道和井下等恶劣环境中接收仪器常为极微弱的几个微伏，进而造成信号提取难度大。在常规检测中，采用增大发射线圈或增加发射电流的方法来增加发射磁矩m的方法使得仪器设备重量和体积都很大，特别是核磁共振勘探测量在存在一定的甲烷、粉尘等有害物质的隧道或地下施工检测过程中，除了灵敏度有待提高、勘测深度有限、外界电磁干扰大之外，安全性也有很大的隐患。在有限的空间和仪器安全运行条件下，如何增强发射信号、加大勘测深度；如何提高仪器的信噪比，进而提高信号分辨灵敏度，是当前核磁共振勘探方面亟待解决的两个问题。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

本发明目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种聚焦型超导核磁共振探测装置，增强了磁场强度，增加了勘测深度，提高了分辨地质体精准度。

(二)技术方案

一种聚焦型超导核磁共振探测装置，其特征在于，包括高压密封壳、控制组件、制冷组件、核磁信号发生组件及温控组件；所述高压密封壳右端设置有高压密封盖；所述高压密封壳左端外壁上设置有第一壳置触头；所述高压密封盖外壁上设置有第二壳置触头；所述高压密封盖内侧圆周均匀设置有空心结构的液氦流通骨架；所述控制组件包括计算机、通讯电缆、控制台、发射电机和核磁信号接收机，计算机、控制台、发射电机、第二壳置触头通过通讯电缆电路连接，计算机、控制台、核磁信号接收机、第一壳置触头通过通讯电缆电路连接；所述制冷组件包括抽/排气机、液氦冷凝制冷机、液氦罐，依次连接；所述抽/排气机和所述液氦罐分别与高压密封壳连通；所述核磁信号发生组件包括超导发射线圈、超导聚磁屏蔽环、超导接收线圈；所述超导发射线圈卡合在液氦流通骨架上；所述超导接收线圈设置在高压密封壳左端；所述超导聚磁屏蔽环为缩口结构，大口端包住超导发射线圈，小口端超过超导接收线圈内圈；所述超导聚磁屏蔽环外壁还设置有固定杆；所述超导发射线圈与第二壳置触头电路连接；所述超导接收线圈与第一壳置触头电路连接；所述高压密封盖内侧还设置有防辐射屏；所述温控组件包括半导体制冷器、温度反馈平衡控制器、温控探头，依次电路连接，所述温控探头设置在高压密封壳内侧。

优选的，所述防辐射屏包括两层，从左到右依次为40k防辐射屏、80k防辐射屏。

优选的，所述液氦流通骨架底端设置螺纹，顶端设置有凹槽和限位扣。

优选的，所述高压密封壳内还设置有失超爆破阀门。

优选的，所述高压密封壳左端设置有立柱，顶端设置有凹槽和限位扣。

优选的，所述高压密封盖设置有3个进氦气孔、3个出氦气孔，在内部分别与液氦流通骨架连接；所述进氦气孔与液氦罐连通，所述出氦气孔与抽/排气机连通。

优选的，所述超导接收线圈的内圈面积和所述超导发射线圈的内圈面积相同；所述超导接收线圈的内圈面积大于4倍的超导聚磁屏蔽环小口端面积，小于16倍的超导聚磁屏蔽环小口端面积。

优选的，所述高压密封壳、所述高压密封盖、所述液氦流通骨架、所述固定杆均为无电磁感非金属材料；所述超导发射线圈、所述超导接收线圈均为外部涂抹nbti材料的空心钢；所述超导聚磁屏蔽环内壁均匀涂抹nbti材料。

(三)有益效果

本发明提供了一种聚焦型超导核磁共振探测装置，一方面利用超导体的超导性大幅度增加脉冲磁场强度，并利用超导体的完全抗磁性将产生的电磁场定向聚焦，有指向性地增加测量深度；另一方面利用超导接收线圈具有接近零电阻这一特性，该特性使得核磁共振弱信号在超导接收线圈衰减慢，即超导接收线圈对于弱信号具有高的灵敏度，从而能够提取出所需要的勘测深度更深，强度更微弱的mrs信号。装置体积小，结构紧凑，灵敏度高，特别适用于隧道建设，地下施工等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的，保护一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体连接示意图；

图2为本发明中高压密封壳、高压密封盖内部剖面示意图；

图3为本发明中高压密封盖平面图；

图4为本发明中超导聚磁屏蔽环的磁力线分布图；

图5为本发明中液氦流通骨架示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、计算机，2、液氦流通骨架，3、通讯电缆，4、控制台，5、发射电机，6、超导发射线圈，7、抽/排气机，8、超导接收线圈，9、核磁信号接收机，10、液氦罐，11、液氦冷凝制冷机，12、失超爆破阀门，13、40k防辐射屏，14、80k防辐射屏，15、温度反馈平衡控制器，16、超导聚磁屏蔽环，17、高压密封壳，18、高压密封盖，19、温控探头，20、半导体制冷器，21、第一壳置触头，22、第二壳置触头，23、固定杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1、图2、图3、图4、图5，一种聚焦型超导核磁共振探测装置，包括高压密封壳17、控制组件、制冷组件、核磁信号发生组件及温控组件；高压密封壳17右端螺栓固定有高压密封盖18，高压密封壳17与高压密封盖18内壁有绝热设计，密封容器间隙精度小于0.1mm，在4k温度下，系统整体漏热小于1w。高压密封壳17左端外壁上设置有第一壳置触头21；高压密封盖18外壁上设置有第二壳置触头22；高压密封盖18内侧圆周均匀螺纹连接有空心结构的液氦流通骨架2，具体的，参看图5，液氦流通骨架2底端加工螺纹，顶端加工有凹槽和限位扣，用以安装和固定超导发射线圈6。

控制组件包括计算机1、通讯电缆3、控制台4、发射电机5和核磁信号接收机9，计算机1、控制台4、发射电机5、第二壳置触头22通过通讯电缆3电路连接，计算机1、控制台4、核磁信号接收机9、第一壳置触头21通过通讯电缆3电路连接。

制冷组件包括抽/排气机7、液氦冷凝制冷机11、液氦罐10，依次连接；抽/排气机7和液氦罐10分别与高压密封壳17连通，具体的，参看图3，高压密封盖18加工有6个通气孔，上部3个作为进氦气孔、下部3个作为出氦气孔，在内部分别与液氦流通骨架2连接；进氦气孔与液氦罐10通过液氦输送管连通，出氦气孔与抽/排气机17也通过液氦输送管连通，构成回路。液氦冷凝制冷机11调节液氦的温度，回收循环利用液氦，保证环流氦气压力在0.1mpa。

核磁信号发生组件包括超导发射线圈6、超导聚磁屏蔽环16、超导接收线圈8；超导发射线圈6卡合在液氦流通骨架2上；超导接收线圈8设置在高压密封壳17左端，具体的，高压密封壳17左端焊接有立柱，立柱也加工有凹槽和限位扣，超导接收线圈8卡合立柱；超导聚磁屏蔽环16为缩口结构，大口端包住超导发射线圈6，小口端超过超导接收线圈8内圈；超导聚磁屏蔽环16外壁还设置有固定杆，进行支撑；参看图4，由于超导体具有完全抗磁性，超导发射线圈6产生的磁力线经过超导聚磁屏蔽环16的导向，使得相应的磁力线产生汇聚，进而达到增强磁场强度的目标，使得能够达到更深的勘测深度。超导接收线圈8的内圈面积和超导发射线圈6的内圈面积相同；超导接收线圈8的内圈面积大于4倍的超导聚磁屏蔽环16小口端面积，小于16倍的超导聚磁屏蔽环16小口端面积。超导发射线圈6与第二壳置触头22电路连接；超导接收线圈8与第一壳置触头21电路连接，方便控制组件进行操作。

高压密封盖18内侧还设置有两层防辐射屏，从左到右依次为40k防辐射屏、80k防辐射屏，减少对工作人员的辐射伤害，用来保护工作人员工作空间的安全稳定。

温控组件包括温度反馈平衡控制器15、半导体制冷器20、温控探头19，依次电路连接。温控探头19设置在高压密封壳17内侧，实时监测内部温度变化。

具体的，根据磁场要求，高压密封壳17、高压密封盖18、液氦流通骨架2、固定杆23均为无电磁感非金属材料；超导发射线圈6、超导接收线圈8均为外部涂抹nbti材料的空心钢；超导聚磁屏蔽环16内壁均匀涂抹有nbti材料。根据低温及高压的要求，失超爆破阀门12采用型号为dj61f-40p；温控探头19采用布鲁克公司的型号为bolometer辐射热测量计；温度反馈平衡控制器15采用lakeshore325；半导体制冷器20采用tes1-3101；液氦冷凝制冷机11采用cryomagnetics公司的hrc-100；抽/排气机7采用型号为apiezonap201；液氦输送管采用extensionhosem/f。

本发明在使用时，先确定待测位置，再将高压密封壳17左端对准测量位置。通过抽/排气机7引导液氦逐渐进入高压密封壳17，逐步将高压密封壳17内的温度降低，保证环流氦气压力在0.1mpa。达到工作要求，逐步开启发射电机5，通过超导发射线圈6激发电磁场，对待测点位前方不良地质进行探测，超导接收线圈8接收相关核磁数据，并传递给计算机1，计算机1反演测点的核磁图，完成测区探测。在工作过程中，温控探头19接收温度信号，将信号反馈给温度反馈平衡控制器15，温度反馈平衡控制器15通过半导体制冷器20对高压密封壳17内进行温度变化调节，将温度平衡至3-3.5k范围；当高压密封壳17内压力发生异常时，失超爆破阀门12开始工作，维持容器内部压力平衡。

与现有技术相比，本发明所提供的一种聚焦型超导核磁共振探测装置，利用超导体的“零电阻”和“完全抗磁性”效应，增强磁场强度，增加勘测深度，提高分辨地质体精准度。本发明同时增加了一种核磁信号聚焦装置，利用超导体的完全抗磁性，将有限的磁力线聚焦在一起，形成更加强大的磁场。采取如下设计，超导聚磁屏蔽环不仅能够将发射线圈产生的激发磁场强化数倍，进而达到更深的勘测深度，同时也能够在仪器工作过程中，一定程度地屏蔽外界电磁，减小发射线圈和接收线圈的电磁互扰。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。