高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构及测量装置的制作方法

本发明涉及核磁共振技术领域，尤其涉及一种高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构及测量装置。

背景技术

核磁共振(nuclearmagneticresonance，简称“nmr”)是20世纪40年代发展起来的一项新的分析技术。利用核磁共振技术可以在不破坏样品的情况下确定物质的化学结构及某种成分的密度分布，其应用已迅速扩展至物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域。20世纪50年代，核磁共振探测技术开始在石油天然气工业中应用。核磁共振检测技术是利用核磁共振原理探测氢原子的技术。通过探测样品内氢原子的含量和赋存状态，获得样品内各种成分的信息。磁体和天线是核磁共振探测器的最主要组成部分，磁体用于在样品中产生静磁场，以对样品中的氢原子进行极化；天线用于向样品发射射频脉磁场脉冲，激发样品中已经被静磁场极化的氢原子，以此来产生核磁共振现象，同时还用于接收和采集所产生的核磁共振信号。通常的核磁共振探测手段为：通过核磁共振探测器内的磁体形成静磁场，然后通过射频天线向样品发射射频磁场脉冲、采集共振信号，进而根据采集到的信号，确定样品体中氢核的密度及流体分子弛豫特性，根据上述数据即可对贮存在样品内的各成分进行分析。

传统核磁共振探测器，依赖于高度均匀的静磁场，均采用磁体包围样品的检测模式，在大磁体(由超导线圈组成)产生的高度均匀的静磁场中进行小样品的检测。这种封闭的结构确保了其产生的静磁场的高磁场强度和高均匀度。但是，由于被测样品必须放置在磁体内部，导致该结构限制了被测样品的大小尺寸。在实际应用中，诸如测量水文地质中土壤湿度等无法将被测样品放置在磁体内部的研究，均不能在传统核磁共振探测器内进行测量和研究。针对上述问题，在现有应用中，出现了小型单边核磁共振探测器。单边核磁共振探测器在使用时，被测样品可以直接放置在磁体的表面，因样品位于磁体一侧，故被称为单边核磁共振探测器。因其体型小巧，便于测量，并且不受到样品位置和大小的限制等诸多优点而被广泛应用。常用的单边核磁共振探测器的磁体结构有如下两种：

第一种：如图1所示，该磁体主要包括四块磁体单元和一块铁质基底。其中，缝隙db两侧的磁体单元为反向充磁，且充磁方向与下方铁质基底垂直。由铁质基底将两磁体单元进行联通，达到增强磁体上部磁场的目的。这种结构的磁体向磁体上表面方向辐射磁场，在一定深度处可得到符合核磁共振探测要求的静磁场b0，其方向和在其表面的天线发射的射频脉冲磁场b1的方向互相垂直(b0与b1正交匹配)，探测敏感区域截面形状为凸起的峰型或凹陷的鞍形。因而导致产生的磁场在水平面上分布较为不均匀，探测的敏感区域形状不规则，并且因其磁体结构的局限性，只能通过调节磁体单元之间的缝隙来改变磁场的分布，所产生的静磁场在水平面上均匀度有限，不利于层状非均匀介质的探测，而且在其对均匀介质探测时因其敏感区域分布不在一个平面上，单频测量的样品体积有限，其信号强度较小，导致信噪比较低。

第二种：针对第一种磁体结构的缺陷，加拿大一小组设计了的另一种主流核磁共振探测器磁体结构，如图2所示，该结构的磁体主要由三块磁体单元构成，所有磁体单元的充磁方向均为水平向右方向。这种结构的磁体，通过调整两侧磁体单元间的距离和中心处磁体单元的上下相对位置，在磁体上表面上方产生一个相对平坦且均匀分布的静磁场，相对于第一种磁体的磁场分布更加均匀。但是随着核磁共振探测技术的发展，人们对探测结果精确度要求越来越高，进而要求核磁共振探测器的磁体能够产生均匀度更高的磁场，如图2所示的磁体的结构已无法满足人们对磁场均匀度的要求。并且如图2所示的核磁共振探测器磁体，其产生的磁场在水平方向上均匀分布的磁场强度较低，这就直接导致了探测信号的强度小，信噪比低，进而导致其探测距离较小，如需增大磁场强度，则需极大程度地增加磁体体积，既增加了制作成本，又导致了探测装置的工作适用范围受到一定限制。

技术实现要素：

本发明提供一种高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构及测量装置，通过将两层或两层以上充磁方向一致的磁体层上下叠放在壳体内，组成核磁共振磁体结构，每一层磁体层可相同也可不同，由两层或多层磁体层产生的磁场相叠加，共同产生静磁场，与现有的单层磁体产生的静磁场相比，具有均匀度更高、均匀区域体积更大、静磁场强度更大、探测距离更深等特点。通过特定的射频天线与该磁体结构配合使用，可以有效测量层状非均质样品和均质样品。提高了核磁共振磁体结构产生的静磁场的均匀度和强度，增加了可用的磁场均匀区域体积，扩大了核磁共振测量装置的适用范围。

本发明的第一方面提供高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构，包括：壳体和设置在所述壳体内的至少两层磁体层，其中，所述至少两层磁体层上下叠放在所述壳体内；所述至少两层磁体层的充磁方向一致。

可选地，所述至少两层磁体层中的第一磁体层包括：至少两个第一子磁体，各个所述第一子磁体串联设置，以使所述第一磁体层内的相邻的所述第一子磁体的充磁方向首尾相连。

可选地，多个所述第一子磁体呈弧线排列，相邻所述第一子磁体之间相隔第一预设角度排列。

可选地，所述至少两层磁体层中的第二磁体层包括：至少一块瓦状磁体，所述瓦状磁体具有预设弧度的瓦面。

可选地，所述第二磁体层的所述瓦状磁体的瓦面弯曲方向沿着所述第一磁体层中多个所述第一子磁体排列成的弧线。

可选地，所述第一磁体层叠放在最上层，所述第一磁体层还包括：导磁块，所述导磁块设置在所述至少两个第一子磁体之间，用于减小所述第一磁体层与其上方的磁力线之间的距离。

可选地，所述第一子磁体包括以下形状中的至少一种：月牙形磁体、条形磁体和/或柱状磁体。

可选地，还包括：导磁基底，所述导磁基地叠放在所述至少两层磁体层下方，用于减小所述至少两层磁体层与其下方磁力线之间的距离。

可选地，所述导磁基地为铁质基地。

本发明的第二方面提供一种测量装置，至少包括：射频单元和本发明第一方面及其任一可选地方案所述的磁体结构，其中，所述磁体结构用于在待测样品内部产生均匀磁场，以极化所述待测样品；所述射频单元用于向被所述磁体结构极化的所述待测样品发射射频磁场脉冲，并采集所述待测样品产生的共振信号，以根据所述共振信号得到所述待测样品的测量结果。

本发明提供的高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构及测量装置，通过将两层或两层以上充磁方向一致的磁体层上下叠放在壳体内，组成核磁共振磁体结构，每一层磁体层可相同也可不同，由两层或多层磁体层产生的磁场相叠加，共同产生静磁场，与现有的单层磁体产生的静磁场相比，具有均匀度更高、均匀区域体积更大、静磁场强度更大、探测距离更深等特点。通过特定的射频天线与该磁体结构配合使用，可以有效测量层状非均质样品和均质样品。提高了核磁共振磁体结构产生的静磁场的均匀度和强度，增加了可用的磁场均匀区域体积，扩大了核磁共振测量装置的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一个核磁共振探测器探头磁体的结构示意图；

图2为现有技术中的另一个核磁共振探测器探头磁体的结构示意图；

图3为本发明一示例性实施例示出的高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构的示意图；

图4为本发明另一示例性实施例示出的高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构的示意图；

图4a-图5为图4所示的实施例中的至少两层磁体层的结构示意图；

图6为本发明又一示例性实施例示出的高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构的示意图；

图6a为图6所示的实施例中的至少两层磁体层中包含导磁基底的结构示意图；

图7为本发明一示例性实施例示出的测量装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3为本发明一示例性实施例示出的高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构的示意图。

如图3所示，本实施例提供一种高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构，该磁体结构包括：壳体300和设置在壳体300内的至少两层磁体层310，其中，至少两层磁体层310上下叠放在壳体300内；至少两层磁体层310的充磁方向一致。

本实施例提供的磁体结构，通过将两层或两层以上充磁方向一致的磁体层上下叠放在壳体300内，组成核磁共振磁体结构，每一层磁体层可相同也可不同，由两层或多层磁体层产生的磁场相叠加，共同产生静磁场，与现有的单层磁体产生的静磁场相比，具有均匀度更高、均匀区域体积更大、静磁场强度更大、探测距离更深等特点。通过特定的射频天线与该磁体结构配合使用，可以有效测量层状非均质样品和均质样品。提高了核磁共振磁体结构产生的静磁场的均匀度和强度，增加了可用的磁场均匀区域体积，扩大了核磁共振测量装置的适用范围。

图4为本发明另一示例性实施例示出的高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构的示意图。

图4a-图5为图4所示的实施例中的至少两层磁体层310的结构示意图；

本实施例提供一种高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构，该磁体结构包括：壳体300和设置在壳体300内的至少两层磁体层310，其中，至少两层磁体层310上下叠放在壳体300内；至少两层磁体层310的充磁方向一致。通过将两层或两层以上充磁方向一致的磁体层上下叠放在壳体300内，组成核磁共振磁体结构，由两层或多层磁体层产生的磁场相叠加，共同产生静磁场，提高了核磁共振磁体结构产生的静磁场的均匀度和强度，增加了可用的磁场均匀区域体积，扩大了该磁体结构的适用范围。

可选地，至少两层磁体层310中的第一磁体层311包括：至少两个第一子磁体，各个第一子磁体串联设置，以使第一磁体层311内的相邻的第一子磁体的充磁方向首尾相连。第一子磁体包括以下形状中的至少一种：月牙形磁体、条形磁体和/或柱状磁体。

作为一种具体的实施方式，在实际应用中，如果用于产生磁场的磁体结构要求体积较大，则可以采用多个体积较小的子磁体来组成。具体地，至少两层磁体层310中的第一磁体层311，可以由至少两个第一子磁体组成，并且将各个第一子磁体串联设置，使第一磁体层311内的相邻的第一子磁体的充磁方向首尾相连。如此，可以根据实际需要用较小的多个第一子磁体组成体积较大的第一磁体层311，降低较大磁体层带来的制作成本。可选地，第一子磁体包含但不限于：月牙形磁体、条形磁体和/或柱状磁体。

可选地，多个第一子磁体呈弧线排列，相邻第一子磁体之间相隔第一预设角度排列。

作为一种具体的实施方式，在实际应用中，为了得到更加符合要求的均匀磁场，可以将多个第一子磁体呈弧线排列，并且相邻第一子磁体之间相隔第一预设角度排列，对于用于核磁共振测量的单边磁体结构来说，一般需要在磁体层一边某一位置有充分均匀的磁场即可，因此采用呈弧线排列的多个第一子磁体来组成第一磁体层311，可以在弧线所朝向的磁体层一边形成均匀磁场，用于极化放置在该均匀磁场中的待测样品，可以进一步提高磁场利用率。

需要说明的是，本实施例中的高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构可以包含多个第一磁体层311，每个第一磁体层311的内部磁体排列结构可以相同也可以不同。图4a和图5分别示出了两种不同的第一磁体层311的结构，详细说明如下：

如图4a所示，至少两层磁体层310可以包括两层第一磁体层311，下层磁体层401(可以为第一磁体层311)为两块切角的条形磁体(即第一子磁体)相对组成，其充磁方向如图中箭头所示，在该下层磁体层401上方可以产生凹型分布的层状磁场。上层磁体层402(也可以为第一磁体层311)为条形磁体(第一子磁体)的改进结构，充磁方向如图箭头所示。经计算和设计，上层磁体层402产生的磁场与下层磁体层401产生的磁场进行叠加，可以在整个磁体结构的上方产生叠加磁场，该叠加磁场(如图4a所示的均匀区域)强度较高，且在水平方向上分布均匀、平坦，更有利于极化待测样品。并且其结构简单，便于制作，更为轻便。

可选地，第一磁体层311叠放在最上层，第一磁体层311还包括：导磁块403，导磁块403设置在至少两个第一子磁体之间，用于减小第一磁体层311与其上方的磁力线之间的距离。

作为一种具体的实施方式，如图4a所示，当第一磁体层311放置在最上层时，可以在两个第一子磁体之间设置导磁块403，比如可以是铁块，导磁块403可以是可调的，经过调解导磁块403的位置，可以灵活改变磁体结构上方的磁力线的分布，比如，可以减小第一磁体层311与其上方的磁力线之间的距离，即收拢磁力线，避免磁力线太远而散发掉，提高磁场利用率。

如图5所示，至少两层磁体层310由上下两个不同排列的第一磁体层311组成。下层磁体层501(由第一磁体层311组成)为在半椭圆线上分布(即呈弧线排列)的多个条形磁体(第一子磁体)，其充磁方向如图中箭头方向所示，充磁后可以在下层磁体层501上方产生层状分布的磁场，上层磁体层502(第一磁体层311)为u形线上分布(即呈弧线排列)的多个条形磁体(第一子磁体)，经计算和设计，可以使上下两层的第一磁体层311产生的磁场进行叠加，在整个磁体结构上方产生叠加磁场，叠加后的磁场在磁体结构上方的水平方向上分布均匀、平坦，且强度较高(如图5中所示的均匀区域)。与单层磁体结构相比，该磁体结构在空间内相同的位置处产生同等强度的磁场，需要的磁体重量明显较轻，且均匀度更高。在与特定的射频天线相配合时，其探测距离较单层结构更深。能够有效测量层状非均匀介质和均匀介质。

图6为本发明又一示例性实施例示出的高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构的示意图。

图6a为图6所示的实施例中的至少两层磁体层310中包含导磁基底604的结构示意图。

本实施例提供一种高磁场强度、高均匀度核磁共振磁体结构，该磁体结构包括：壳体300和设置在壳体300内的至少两层磁体层310，其中，至少两层磁体层310上下叠放在壳体300内；至少两层磁体层310的充磁方向一致。通过将两层或两层以上充磁方向一致的磁体层上下叠放在壳体300内，组成核磁共振磁体结构，每一层磁体层可相同也可不同，由两层或多层磁体层产生的磁场相叠加，共同产生静磁场，与现有的单层磁体产生的静磁场相比，具有均匀度更高、均匀区域体积更大、静磁场强度更大、探测距离更深等特点。提高了核磁共振磁体结构产生的静磁场的均匀度和强度，增加了可用的磁场均匀区域体积，扩大了核磁共振测量装置的适用范围。

可选地，至少两层磁体层310中的第一磁体层311包括：至少两个第一子磁体，各个第一子磁体串联设置，以使第一磁体层311内的相邻的第一子磁体的充磁方向首尾相连。第一子磁体包括以下形状中的至少一种：月牙形磁体、条形磁体和/或柱状磁体。

作为一种具体的实施方式，在实际应用中，如果用于产生磁场的磁体结构要求体积较大，则可以采用多个体积较小的子磁体来组成。具体地，至少两层磁体层310中的第一磁体层311，可以由至少两个第一子磁体组成，并且将各个第一子磁体串联设置，使第一磁体层311内的相邻的第一子磁体的充磁方向首尾相连。如此，可以根据实际需要用较小的多个第一子磁体组成体积较大的第一磁体层311，降低较大磁体层带来的制作成本。可选地，第一子磁体包含但不限于：月牙形磁体、条形磁体和/或柱状磁体。

可选地，多个第一子磁体呈弧线排列，相邻第一子磁体之间相隔第一预设角度排列。

作为一种具体的实施方式，在实际应用中，为了得到更加符合要求的均匀磁场，可以将多个第一子磁体呈弧线排列，并且相邻第一子磁体之间相隔第一预设角度排列，对于用于核磁共振测量的单边磁体结构来说，一般需要在磁体层一边某一位置有充分均匀的磁场即可，因此采用呈弧线排列的多个第一子磁体来组成第一磁体层311，可以在弧线所朝向的磁体层一边形成均匀磁场，用于极化放置在该均匀磁场中的待测样品，可以进一步提高磁场利用率。

可选地，至少两层磁体层310中的第二磁体层312包括：至少一块瓦状磁体601，瓦状磁体601具有预设弧度的瓦面。

作为一种具体的实施方式，组成磁体结构的至少两层磁体层310也可以是单个磁体，为了确保最终形成磁场的均匀度，该单个磁体可以是弯曲面为预设弧度的瓦面，即可以由一块瓦状磁体601作为第二磁体层312，单个瓦状磁体601具有连续的内部结构，在充磁后可以形成沿瓦面的连续磁力线，有利于提高磁场利用率。

可选地，第二磁体层312的瓦状磁体601的瓦面弯曲方向沿着第一磁体层311中多个第一子磁体排列成的弧线。

作为一种具体的实施方式，在第一磁体层311与第二磁体层312上下叠放时，第二磁体层312中的瓦状磁体601的瓦面弯曲方向，要沿着第一磁体层311中多个第一子磁体排列成的弧线，以保证第一磁体层311与第二磁体层312的磁力线方向相同；具体地，如图6a所示，至少两层磁体层310中包括了第一磁体层311和第二磁体层312。其中，上层磁体层602为第一磁体层311，下层磁体层为一块瓦状磁体601组成的第二磁体层312；第一磁体层311由三个第一子磁体呈弧线排列组成，充磁方向如图6a中箭头所示。瓦状磁体601的截面形状为半椭圆环型，该瓦状磁体601的瓦面弯曲方向沿着第一磁体层311中的三个第一子磁体排列成的弧线，其充磁方向水平向右。充磁后可以在第二磁体层312上方产生层状分布的磁场，经计算和设计，可以使上层磁体层602产生的磁场与瓦状磁体601产生的磁场进行叠加，在整个磁体结构上方产生叠加磁场，叠加后的磁场在磁体结构上方的水平方向上分布均匀、平坦，且强度较高(如图6a中所示的均匀区域)。该磁体结构与单层磁体结构相比，在空间内相同的位置处产生同等强度的磁场，其需要的磁体重量明显较轻，且均匀度更高、磁场均匀分布区域更大，信噪比更高，探测深度更深。

需要说明的是，根据实际需要，也可以在如图6a所示的瓦状磁体601两端各设置一块子磁体603(比如条形磁体)作为补充，可以提高磁场均匀度，增大磁场均匀区域。

可选地，还包括：导磁基底604，导磁基地叠放在至少两层磁体层310下方，用于减小至少两层磁体层310与其下方磁力线之间的距离。导磁基地为铁质基地。

作为一种具体的实施方式，导磁基底604可以设置在最下层磁体层的下方，如图6a所示，比如导磁基底604叠放在第二磁体层312的瓦状磁体601的下方，导磁基底604可以吸收瓦状磁体601下方的磁力线，迫使瓦状磁体601下方的磁力线收拢，即可以减小至少两层磁体层310与其下方磁力线之间的距离，避免磁力线过多的散发流失，不仅可以曾强可用磁场，而且避免磁场资源浪费。优选地，导磁基底604可以工业纯铁制作而成的铁质基底，铁质基地不仅具有高导磁和保护的作用，而且材料成本较低，可以降低磁体结构的制作成本。

图7为本发明一示例性实施例示出的测量装置700示意图。

如图7所示，本实施例提供一种测量装置700，至少包括：射频单元和如图3至图6a对应任一实施例中的磁体结构710，其中，磁体结构710用于在待测样品内部产生均匀磁场，以极化待测样品；射频单元用于向被磁体结构710极化的待测样品发射射频磁场脉冲，并采集待测样品产生的共振信号，以根据共振信号得到待测样品的测量结果。

作为一种具体的实施方式，测量装置700至少包括磁体结构710和射频天线，在实际测量中，首先将待测样品放置在磁体结构710产生的均匀磁场中，用于极化待测样品，然后射频天线会向被极化的待测样品发射射频磁场脉冲，根据核磁共振原理，待测样品就会产生共振信号，射频天线采集这部分共振信号，即可根据采集到的共振信号分析出该待测样品的测量结果。该测量装置700包括如图3至图6a对应任一实施例中的磁体结构710，因此具有如图3至图6a对应任一实施例中的磁体结构710的所有有益效果，在此不再赘述。

本实施例提供的测量装置700，通过将两层或两层以上充磁方向一致的磁体层上下叠放在壳体300内，组成核磁共振磁体结构710，每一层磁体层可相同也可不同，由两层或多层磁体层产生的磁场相叠加，共同产生静磁场，通过特定的射频天线与该磁体结构710配合使用，可以有效测量层状非均质样品和均质样品。提高了核磁共振磁体结构710产生的静磁场的均匀度和强度，增加了可用的磁场均匀区域体积，扩大了核磁共振测量装置700的适用范围。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。