波谱学杂志  2016, Vol. 33 Issue (1): 66-76

文章信息

籍勇亮, 崔现军, 候兴哲, 吴高林, 王谦, 李龙, 徐征
JI Yong-liang, CUI Xian-jun, HOU Xing-zhe, WU Gao-ling, WANG Qian, LI Long, XU Zheng
单边核磁共振传感器研究及其应用
A Single-Sided NMR Sensor: Design and Applications
波谱学杂志, 2016, 33(1): 66-76
Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2016, 33(1): 66-76
http://dx.doi.org/10.11938/cjmr20160106

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收稿日期: 2015-03-06
收修改稿日期: 2016-01-21
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籍勇亮, 崔现军, 候兴哲, 吴高林, 王谦, 李龙, 徐征. 单边核磁共振传感器研究及其应用[J]. 波谱学杂志, 2016, 33(1): 66-76.
JI Yong-liang, CUI Xian-jun, HOU Xing-zhe, WU Gao-ling, WANG Qian, LI Long, XU Zheng. A Single-Sided NMR Sensor: Design and Applications[J]. Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2016, 33(1): 66-76.
单边核磁共振传感器研究及其应用
籍勇亮1, 崔现军2, 候兴哲1, 吴高林1, 王谦1, 李龙1, 徐征2    
1. 国网重庆市电力公司电力科学研究院, 重庆 401123;
2. 重庆大学 电气工程学院, 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044
收稿日期: 2015-03-06; 收修改稿日期: 2016-01-21
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51107150,51377182).
作者简介: 籍勇亮(1979-),男,山西人,工学博士,工程师,电气工程专业.
*通讯联系人: 徐征， 电话： 13527475882，E-mail： xuzheng@cqu.edu.cn.
摘要: 单边核磁共振(single-sided NMR)传感器具有体积小、造价低和结构开放等特点,特别适用于大型样品的现场无损检测,具有广阔的应用前景.该文介绍了一种均匀度较高的单边核磁共振传感器,在10 mm×10 mm的水平目标区域内,静态磁场均匀度为338×10-6,在垂直方向上静态磁场具有4.6 T/m的恒定梯度.结合该磁场分布的梯度特性,提出了一种基于快速傅里叶变换和带通滤波处理的回波信号处理方法,可提取薄层样品的核磁共振信号,从而实现对样品纵深方向的高分辨率一维测量(分辨率达到50 μm).最后使用该传感器对复合绝缘子高分子聚合物、液体的扩散行为,以及植物叶片的枯萎过程进行了测量.展现了该方法在高分子材料分析、液体测量以及农业应用方面的潜力.
关键词: 单边核磁共振(single-sided NMR)     磁体设计     扩散系数     复合绝缘子    
A Single-Sided NMR Sensor: Design and Applications
JI Yong-liang1, CUI Xian-jun2, HOU Xing-zhe1, WU Gao-ling1, WANG Qian1, LI Long1, XU Zheng2     
1. Electric Power Research Institute, State Grid Chongqing Electric Power Company, Chongqing 401123, China;
2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China
Abstract: Single-sided NMR sensors are especially suitable for nondestructive examination of large samples, due to their features such as small size, low cost, and open structure. This paper presents the design and applications of a single-sided NMR sensor with relatively high field uniformity. The uniformity of B0 was estimated to be 338×10-6 in an area of 10 mm×10 mm in the horizontal direction; while there was a constant gradient of 4.6 T/min the vertical direction. According to the distribution of the magnetic field gradient, a signal processing method based on FFT and band-pass filter was proposed to extract NMR signals from a thin layer of the samples. The one-dimensional resolution in the depth direction was about 50 μm. Application experiments are presented, including assessing the aging status of polymer composite insulator, measuring the diffusion coefficient of liquids, and analyzing the withering process of plant leaves. It is concluded that the single-sided NMR sensor developed may have potential applications in many fields.
Key words: single-sided NMR     magnet design     diffusion coefficient     polymer composite insulator    
引言

单边核磁共振(single-sided NMR)的思想源于石油工业的inside-out[1] NMR技术，随着NMR-MOUSE[2]在其他领域的使用引起了人们的广泛重视.单边核磁共振结构开放、体积小、便于携带，能够对大体积物体进行无损检测，目前该技术正越来越多的受到关注.

单边核磁共振，其结构特点顾名思义，即传感器位于样品一边，磁体结构完全开放，无需像传统核磁共振那样要求样品尺寸小于测量腔体直径.单边核磁共振仪器的研究主要集中在磁体结构上，考虑到便携式和工程现场使用的需求，磁体结构均由永磁体构建.目前单边核磁共振仪的磁体结构主要有：U型磁体[3, 4, 5, 6]、Halbach磁体[7, 8, 9, 10]、桶状磁体[11, 12]，以及三磁棒结构[13].具有代表性的单边核磁共振传感器是德国亚琛工业大学Blümich等人[2]设计的NMR-MOUSE.

单边核磁共振的开放式结构虽然方便测量，但这是以牺牲磁场强度和均匀度为代价的，其静态磁场均匀度远远无法与传统核磁共振仪相比，一般以千分之一来衡量.Perlo等人[14]在NMR-MOUSE基础上进行优化，设计制作了目前为止我们所知的具有最高均匀度的单边磁体，在水平方向10 mm×10 mm的范围内，它的磁场均匀度达487×10-6.

本文介绍了一种均匀度较高的单边核磁共振传感器，在10 mm×10 mm的水平目标区域内，静态磁场均匀度为338×10-6，在垂直方向上静态磁场具有4.6 T/m的恒定梯度.结合该磁场分布的梯度特性，提出了一种基于快速傅里叶变换和带通滤波处理的回波信号处理方法，可用于提取任一薄层样品的NMR信号，从而实现对样品纵深方向的高分辨率一维测量.最后使用该传感器对复合绝缘子高分子聚合物、液体的扩散行为，以及植物叶片的枯萎过程进行了测量.展现了该方法在高分子材料分析、液体测量以及农业应用方面的潜力.

1 单边核磁共振传感器 1.1 磁体结构

本文的单边核磁共振传感器结构示意图如图 1所示，主要由5块相同的长方体磁棒和2块匀场极靴组成.其中永磁体磁棒材料为Nd-Fe-B，剩磁为1.315 T，尺寸为15 mm× 15 mm×150 mm.匀场极靴铁片尺寸为7.2 mm×15 mm×150 mm.通过调节5个永磁体单元的相对位置和磁化方向，以及匀场极靴的厚度，可以优化图中虚框目标区域内的磁场均匀度[15].

图 1 单边核磁共振传感器 Fig. 1 The single-sided NMR sensor
图选项

图 1中，虚框目标区域的尺寸为10 mm×10 mm×4 mm(长×宽×高)，设传感器表面为Y方向零点，该区域位于Y轴正方向4.5 mm处.优化后的主磁场如图 2所示.图 2(a)为两正交垂直平面上磁场分布，可以看出在距离磁体表面上方3.5~5.5 mm的范围内，B0场具有恒定的4.6 T/m梯度.如图 2(b)为最优平面上主磁场B0仿真分布图，均匀度为338×10-6.

图 2 (a)两正交垂直平面B0场分布；(b)最优平面上B0磁场分布图 Fig. 2 (a)B0 distribution on two vertical planes of orthogonal;(b)B0 distribution on the most uniform horizontal plane
图选项
1.2 RF线圈设计

射频(RF)线圈是核磁共振系统中实施射频激励和接收NMR信号的核心结构，其性能直接决定了NMR信号的质量.为得到具有高信噪比的RF线圈，本文考虑射频电流在线圈中的集肤效应，对平面螺旋线圈进行了优化.优化方法分为两步：(1)调节线圈的匝数、线宽、线间距以及布线面积等结构参数，以射频磁场在目标面上的平坦分布为优化目标，确定线圈基本结构.(2)使用有限元软件Ansoft计算第一步中得到的线圈的交流电阻，进而得到信噪比，从中选出信噪比最高的线圈.最优线圈如图 3所示.

图 3 (a)目标面处RF线圈B1场分布图；(b)RF线圈实物图 Fig. 3 (a)B1 strength contour on the target surface，(b)RF coil
图选项

该线圈在10 mm×10 mm的目标面处的射频磁场如图 3(a)所示.线圈的具体结构为：双层矩形螺线线圈，布线面积为17.2 mm×17.2 mm，线宽和线间距均为0.5 mm，总匝数为10匝，均匀分布在2 mm厚电路板的双面，每个面上5匝.

最终的单边核磁共振传感器尺寸为68 mm×129 mm×154 mm，总重量为3 kg，其实物照片如图 4所示.

图 4 单边核磁共振传感器实物图 Fig. 4 The single-sided NMR sensor
图选项
2 单边NMR信号处理方法

本文的单边核磁共振磁体在垂直于磁体表面方向上具有恒定的静态梯度(4.6 T/m)，且在水平方向上磁场分布均匀.这种特殊的磁场分布使得该磁体能够实现垂直方向上的一维分层测量，即不同高度处具有不同的静态磁场强度，根据拉莫公式，对应不同的射频频率.若使用硬脉冲激励被测样品，只需要对回波信号进行傅里叶变换，然后在频域进行带通滤波，通过调节带通滤波器的带宽和中心频率，即可提取出所需高度和厚度内样品的信号.同时，由于单边磁场分布的不均匀性(与传统核磁共振仪相比)，一般采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列激励样品，获取样品的横向弛豫(T2)衰减曲线.

以本文单边NMR传感器为例，Y方向均匀区中心位置共振频率为5.8 MHz，射频线圈的品质因数为39(需要特别说明的是，单边NMR的品质因数一般不会太高，这是由静态磁场的不均匀性决定的，若品质因数太高，激励的样品太少，反而不能得到较强的回波信号).由上述频率和品质因数可以算出，射频线圈输出频带宽度为148.7 kHz.

又因为主磁场在垂直方向上存在4.6 T/m的梯度，对应在垂直方向具有195.9 kHz/mm的频率变化率.所以，每次测量会同时激励759.1 μm(148.7 kHz÷195.9 kHz/mm)厚度的样品，并不能进行纵深方向一维精确分层测量，所以要对CPMG回波信号进行傅里叶变换和带通滤波处理，通过调节带通滤波器的带宽提取特定厚度的样品CPMG信号，从而得到其T2信息.

举例说明，图 5(a)为测量复合绝缘子的原始CPMG衰减曲线，对每一个回波信号进行滤波处理，选取第一个回波信号为例，将其放大如图 5(b).先对其进行快速傅里叶变换，在频域内使用带通滤波器进行滤波.带通滤波器的滤波宽度可以根据测量者所要求的纵深一维分辨率进行调整.在此实验中，我们选取滤波器的频率宽度为9.8 kHz，即对应50 μm厚度的样品.经过滤波之后，随后利用傅立叶逆变换将该信号从频域变换到时域，如图 5(c).从图 5(c)可以看出滤波之后的回波信号幅值和宽度都变小了.将图 5(a)中的所有回波信号作同样的滤波处理，然后再得到T2的衰减曲线，如图 5(d)所示.最后将滤波后的T2衰减曲线用反拉普拉斯变换得到50 μm厚度样品的T2分布谱，如图 5(e)所示.

图 5 NMR信号处理.(a)原始CPMG回波信号；(b)第一个CPMG回波信号；(c)滤波后第一个CPMG回波信号；(d)滤波后CPMG回波信号；(e)滤波后T2分布 Fig. 5 NMR signal processing.(a)The original CPMG echoes;(b)The first CPMG echo;(c)The first CPMG echo after filtering;(d)The CPMG echoes after filtering;(e)The T2 spectrum distribution after filtering
图选项
3 实验研究 3.1 非均匀场对CPMG回波信号的影响

我们实测的CPMG回波串的前5个回波如图 6所示，可以看出第一个回波信号幅值明显小于第二个回波信号.

图 6 非均匀场中前5个CPMG回波信号 Fig. 6 The first 5 CPMG echoes in the non-uniform field
图选项

其原因如下：设静磁场B0的方向沿竖直方向，当静磁场为非均匀场时，CPMG序列中的90°脉冲只能将部分磁化矢量翻转到水平平面，这部分磁化矢量失相后会在第一个180°脉冲作用下重聚形成直接回波(direct echo)；而且第一个180°脉冲也会将残留在竖直方向的部分磁化矢量翻转到水平平面内.当第二个180°脉冲作用后，前者会再次重聚形成直接回波，而后者也会被重聚形成间接回波(indirect echo)；因此从第二个180°脉冲开始，所有的回波均包含直接回波和间接回波分量.这就造成了CPMG回波信号中第二个回波的幅值大于第一个回波的现象[16, 17].

3.2 高分子材料老化状态评估

本实验以电力系统广泛使用的复合绝缘子材料作为样品进行测量.探究横向弛豫时间与复合绝缘子老化程度之间的关系，对于更好地理解复合绝缘子的老化机理以及科学评估其使用寿命等具有重要意义.

测量实验平台如图 7所示，由步进电机平台、盛放复合绝缘子的玻璃盒和单边NMR传感器组成.该实验平台的性能如表 1所示.

图 7 复合绝缘子老化程度测量平台 Fig. 7 Measurement platform for assessing the aging status of polymer composite insulator
图选项
表 1 复合绝缘子老化程度实验平台性能 Table 1 The performance of the platform for assessing the aging status of polymer composite insulator
参数 数值
深层分辨率/mm 50
步进率/mm 10
最大测量深度/mm 1
RF激励频率/MHz 5.8
表选项

选取同一地区分别运行0年和12年的复合绝缘子样品，使用此实验平台分别测量其横向弛豫时间T2.实验CPMG序列参数设置如表 2所示.

表 2 复合绝缘子测量实验CPMG序列参数设置 Table 2 The parameters of the CPMG sequence for assessing the aging status of polymer composite insulator
CPMG参数设置数值
脉冲宽度/ms11
回波时间/ms110
回波个数/个1500
等待时间/ms1535
重复次数/次140
表选项

使用前文所示方法对回波信号进行滤波处理，以及反拉普拉斯变换后，得到如图 5(e)所示的谱分布图，从图中可以看出复合绝缘子样品的T2谱由2个短T2分量和一个明显的长T2分量构成.通过多次反演发现，长T2分量稳定[18]，所以采用(1)式对长T2部分求平均值，这样就可以得到等效横向弛豫时间T2 long-mean.

分别画出两种不同运行年限的绝缘子样品0~150 ms的CPMG回波信号，如图 8(a)所示，从其单指数拟合曲线中可以看出，随着运行年限的增加，样品的CPMG曲线的衰减逐渐加快，但是两者相差并不明显.将原始回波数据利用上一节的信号处理方法处理之后，将回波信号T2谱的长T2分量绘制于图 8(b)中，从图中可以更加明显的看出，随着运行年限的增加，长T2分量的波峰逐渐左移.结合图 8(b)，利用(1)式求得运行0年的新绝缘子样品等效横行弛豫时间为90.17 ms；运行12年的绝缘子样品等效横向弛豫时间为80.87 ms，即运行12年的复合绝缘子等效横向弛豫时间小于新复合绝缘子的等效横向弛豫时间.该结果为定量评估复合绝缘子老化状态奠定了基础.

图 8 (a)两种复合绝缘子样品的CPMG回波数据；(b)两种复合绝缘子样品的长T2分布 Fig. 8 (a)CPMG echo curves of two composite insulators，(b)Distributions of long T2 for two composite insulators
图选项
3.3 液体扩散系数测量

本节使用单边核磁共振传感器对液体的扩散行为进行了初步实验.本文使用SGSE-CPMG脉冲序列[19].将测量得到的回波数据用(2)式进行拟合即可得到液体的自扩散系数D.

其中，G为主磁场梯度，t为90°脉冲与第一个180°脉冲之间的时间间隔，Ii为第i个t值对应的CPMG衰减曲线峰值点的和，I0为第一个t值对应的CPMG衰减曲线峰值点的和.本研究主要对水和汽轮机油进行自扩散系数的测量对比.

SGSE-CPMG脉冲实验基本参数分别设置如表 3所示.

表 3 液体测量实验CPMG序列参数设置 Table 3 The parameters of the CPMG sequence for liquid measurement
SGSE-CPMG参数设置水汽轮机油
tmin/ms140140
tmax/ms15208240
Δt/ms100450
脉冲宽度/ms55
回波时间/ms140140
回波个数/个38002800
等待时间/ms14681608
重复次数/次6464
表选项

将实验测量数据和其对应拟合曲线进行归一化处理之后进行对比，如图 9所示.

图 9 水和油样品的扩散特性曲线 Fig. 9 Diffusion curves of water and oil samples
图选项

通过拟合曲线可以看出，单边核磁共振方法可以很明显的区分水和油的扩散行为的差别，对该设备在石油探测，及油和水成分检测等领域的研究具有一定的意义.

3.4 叶片干燥程度测量

本文还探索了单边核磁共振在农业和植物研究方面的可能应用.我们对叶片的干燥程度进行了无损测量.选取同一棵橡皮树上三片干燥程度不同的树叶(图 10左图)作为测量对象，其T2谱分布如图 10右图所示.

图 10 不同叶片的T2谱对比 Fig. 10 Comparison of the T2 spectrum from different leaves
图选项

从图中可以看出，随着叶片样品的逐渐干燥，其T2谱的长T2部分逐渐左移，但短T2部分分布无规律.结合(1)式求得图中三种干枯状态不同的树叶的等效横向弛豫时间分别为：叶片1#为69.96 ms；叶片2#为57.80 ms；叶片3#为44.66 ms.可能的机理解释如下：树叶中水分的存在状态主要为自由水和束缚水——自由水是分布在导管和细胞间的水份，而束缚水则是包含在细胞壁中的水.随着树叶的逐渐干枯，自由水因易蒸发而逐渐减少，而束缚水则不易损失.所以从饱满到干枯，树叶组织中自由水和束缚水的相对含量不同，使得对应的横向弛豫时间T2不同.饱满树叶中自由水占主要部分，所以其横向弛豫时间T2大；干枯树叶中束缚水占主要部分，所以其横向弛豫时间T2较小.

通过上述对叶片的测量可以看出，单边核磁共振技术可以用来解决植物组织中自由水与束缚水相对含量检测等问题，在农业方面具有广阔的应用前景.

4 总结

本研究设计了一种磁场均匀度较高的单边核磁共振传感器，提出了一种对核磁共振信号进行滤波和反演的信号处理方法，并用此传感器进行了一系列测量实验，包括高分子材料的老化评估、水油扩散系数和叶片干燥程度的研究.从实验结果可以看出，单边核磁共振技术在高分子材料评估、液体成分检测以及农业植物组织含水量等方面具有较好的应用前景.但是，本文的实验研究相对比较粗浅，还需要进一步深入研究，最终达到准确的定量分析.同时本文的传感器结构，特别是射频线圈结构还需进一步优化改进，这些都是我们未来需要努力的地方.

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